[发明专利]质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及质子交换膜及其制备方法，属于燃料电池技术领域。质子交换膜，所述质子交换膜包括第一、第二和第三层膜，所述第二层膜在第一和第三层膜之间，所述第二层膜的组份为：过渡金属硫化物3.125％～16.25wt％、烯类聚合物6.25％～62.5wt％、全氟磺酸21.25～90.625wt％；所述第一和第三层膜的组份为：全氟磺酸、聚偏氟乙烯共聚物。本发明的质子交换膜耐热性好，保水能力大大提高，质子交换膜的使用寿命长，电池的开路电压高。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜及其制备方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

近年来，煤、石油等燃料价格不断飙升，传统能源的使用时间也在不断缩减。同时，化石能源燃烧所产生的温室效应，也引起了严重的生态和气候问题，给人类的未来生存发展带来巨大隐患。世界各国为了节能减排，纷纷加大了对洁净、环保、绿色经济的替代能源开发。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有零污染、转化效率高、功率密度大、噪音低、可再生等特点，已成为被全球寄予厚望的绿色能源。甚至有人认为，质子交换燃料电池是人类未来能源的终极解决方案。目前，PEMFC主要用于交通运输、便携式电源等领域，特别是电动汽车行业，被认为是燃料电池的最佳利用形式。然而，自1839年英国物理学家威廉·葛洛夫设计出第一个燃料电池至今，燃料电池仍然未实现商业化。影响燃料电池汽车发展最大的因素是居高不下的成本问题，使用昂贵的质子交换膜、贵金属铂作为催化剂、石墨双极板高昂的加工成本等，导致质子交换膜燃料电池成本约为汽油、柴油发动机成本的10～20倍。

例如，已经商业化量产的丰田Mirai，在日本售价700万日元，折合人民币约为42万。相比于传统燃油车，依然属于较高的水平。燃料电池汽车的成本主要集中在电池上，而制约电池成本的核心部件就是质子交换膜。对于一个电池系统来说，目前商用的质子交换膜(系列)约占电池总成本的20％，价格十分昂贵(350$-750$/㎡)。因此，开发低成本、高功率密度、长寿命的质子交换膜，打破杜邦公司对于质子交换膜的技术垄断，实现国产质子交换膜的商业化，已成为中国燃料电池产业界的当务之急。

全氟磺酸膜是已经商品化的且被广泛应用于燃料电池的质子交换膜，由美国DuPont公司率先研制成功。全氟磺酸膜的优点是化学稳定性强，机械强度高，高湿度下电导率高，使用寿命长。然而，全氟磺酸膜的缺点也很明显，高温时热稳定性仍然不理想、保水能力低，导致质子传导率显著下降；干、湿条件转化时，尺寸变化大，溶胀高；阻醇性能差，导致甲醇透过率高。因此，如何提高全氟磺酸膜的热稳定性和保水率，降低其甲醇透过率，成为人们当前广泛研究的重点内容。

发明内容

本发明要解决的第一个问题是提供一种质子交换膜，该质子交换膜热稳定性好。

为解决上述第一个技术问题，本发明的质子交换膜包括第一、第二和第三层膜，所述第二层膜在第一和第三层膜之间，所述第二层膜的组份为：过渡金属硫化物3.125％～16.25wt％、烯类聚合物6.25％～62.5wt％、全氟磺酸21.25～90.625wt％；

所述第一和第三层膜的组份为：全氟磺酸、聚偏氟乙烯共聚物；

优选所述烯类聚合物为聚乙烯，聚丙烯中的至少一种。

优选的，所述第一和第三层膜的组份为全氟磺酸31.25～93.75wt％、聚偏氟乙烯共聚物6.25～68.75wt％。

优选的，所述聚偏氟乙烯共聚物为PVDF-TrFE(聚偏氟乙烯三氟乙烯)、PVDF-CTFE(聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、PVDF-HFP(偏氟乙烯六氟丙烯共聚物)中的一种或者几种。

优选的，所述全氟磺酸为聚合物当量范围750～1100的全氟磺酸树脂，优选当量范围为780～900的全氟磺酸树脂。