[发明专利]一种复合型质子交换膜的制备方法

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，公开了一种低成本且高稳定性的复合型质子交换膜的制备方法。其特征是首先利用溶液浇铸法制备磺化聚醚醚酮膜并将其作为基膜，再利用热喷涂技术，制备含有过渡层的NF/SPEEK层层复合膜。电池测试表明，该复合膜最高功率比商业化NR212膜高出了40％左右。该膜不仅继承了纯SPEEK膜的高性能，同时相比纯SPEEK膜，其耐久性提高了5‑6倍。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体是涉及一种低成本且高稳定性的复合型质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的能量转换装置。它的工作原理与内燃机相似，只要不断地给其供给原料，就能持续的输出电能。PEMFC具有较高的能量转化效率(40-60％)、对环境友好、启动速度快、工作寿命长等优点，因此已经受到越来越广泛的关注，特别是其在汽车动力、移动电源及小型电站等方面较广泛的应用前景。但实际上，燃料电池的稳定性和耐久性一直是阻碍它技术进步、迈向商业化的棘手难题。这一问题对质子交换膜而言尤其严重。目前商业化的质子交换膜是美国杜邦公司生产的系列全氟磺酸膜，但是膜价格高昂，其成本占了整个燃料电池电堆的50％。因此开发廉价且具有较高性能的质子交换膜，一直是膜材料研究的重点和热点。磺化聚醚醚酮聚合物因为磺化度可调控，且极化性能接近甚至优于系列膜而备受关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本且高稳定性的复合型质子交换膜的制备方法。该复合膜包括磺化聚醚醚酮基膜(A)、全氟磺酸聚合物层(C)以及中间过渡层(B)。该方法以廉价的磺化聚醚醚酮材料作基膜，通过热喷涂辅助技术，在基膜上施以稳定性较高的全氟磺酸聚合物层，基膜与全氟离聚物层中间的过渡层成分为磺化聚醚醚酮与全氟磺酸离聚物的混合物。

磺化聚醚醚酮与全氟磺酸聚合物都含有磺酸基，二者通过磺酸基可有一个较好的结合。因此中间过渡层的存在，可减缓两种聚合物材料之间的不相容性。采用该方法制备的复合膜，大大降低了质子交换膜的成本，且复合膜的渗氢电流低，单电池性能高于Nafion212膜，在一定电流密度下的单电池稳定性相比于纯的SPEEK有较大的提升。

本发明的技术方案如下：

一种低成本且高稳定性的复合型质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

1.将磺化度为0.54～0.82的磺化聚醚醚酮树脂，溶解于非质子溶剂中，制得铸膜液，并在烘箱中于玻璃板上流延铸膜，铸膜液浓度优选为5％～15％，铸膜的非质子溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)和N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)之中的一种，烘箱温度为70～120℃,处理时间为6～24h。

2.将上述制备的磺化聚醚醚酮作基膜，固定于热喷涂操作台上，使用喷枪在基膜表面喷涂上过渡层和全氟磺酸聚合物层，全氟磺酸聚合物树脂为长侧链或短侧链的一种，树脂溶液浓度为3％～15％，过渡层中两种聚合物树脂的含量比值(质量比)为，磺化聚醚醚酮：全氟磺酸聚合物＝1:0.6～1:1.2，热喷涂的操作台温度设定在40℃～80℃

3.在热喷涂上过渡层后，需继续喷涂全氟磺酸离聚物溶液，喷涂条件同步骤2，最后将喷涂好的复合膜置于烘箱中处理，烘箱温度为70～120℃，处理时间为6～24h。另外，在喷涂过程中，控制过渡层与全氟磺酸层的厚度在5～30um。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.该复合膜能有效减缓磺化聚醚醚酮膜在阴极侧的降解。

2.过渡层的存在，有效降低了磺化聚醚醚酮与全氟磺酸树脂间的不相容现象。

3.使用热喷涂技术，可方便实现层层复合膜的制备，并且易于控制喷涂层的厚度。

4.该复合膜的渗氢小、电池性能高且稳定性相比纯SPEEK膜大幅提升，而且该复合膜的成本大大低于现有的Nafion系列膜。