[发明专利]一种三层共挤复合质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三层共挤复合质子交换膜，包括A、B、C三层结构；所述B层包含基膜、磺酸根组分，位于中间层；所述A、C层包括质子交换树脂、磺酸根组分，位于上下表层；所述B层的磺酸根含量比A、C层的磺酸根含量低，B层的磺酸根含量为B层总原料质量的0.03wt％～0.1wt％，A、C层的磺酸根含量为所在层总原料质量的0.5wt％～5wt％。本发明通过采用A、B、C三层结构，同时差异化A、B、C三层的组分、膜厚及磺酸根含量，能够同时兼顾复合质子交换膜的机械强度、熔融温度及质子传导能力等性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种三层共挤复合质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜的性能特征与燃料电池的输出性能密切相关，是决定燃料电池内界面内阻、质子传导能力、气体渗透率的关键材料，同时也是决定燃料电池安全性能的关键材料。在水/气路堵塞等极端条件下，燃料电池内部温度会极速上升，当电池内部温度接近质子交换膜材料熔点时，极易导致破膜引起电池正负极直接接触，造成短路和爆炸。理想的质子交换膜不仅要具有较低的气体渗透率、稳定的化学稳定性，还要具有足够的机械强度、良好的质子传导能力、较高的熔融温度，以及较低的界面电阻。现有技术中，质子交换膜多为单层结构，很难同时兼顾机械强度、熔融温度、界面电阻及质子传导能力等性能特征。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种三层共挤复合质子交换膜及其制备方法，通过采用A、B、C三层结构，同时差异化A、B、C三层的组分、膜厚及磺酸根含量，能够同时兼顾复合质子交换膜的机械强度、熔融温度及质子传导能力等性能特征。

为实现上述发明目的，本发明提出了一种三层共挤复合质子交换膜，包括A、B、C三层结构；所述B层包含基膜、磺酸根组分，位于中间层；所述A、C层包括质子交换树脂、磺酸根组分，位于上下表层；所述B层的磺酸根含量比A、C层的磺酸根含量低。

优选地，上述技术方案中所述基膜为微纳米纤维膜。

优选地，上述技术方案中所述B层的磺酸根含量为B层总原料质量的0.03wt％～0.1wt％。

优选地，上述技术方案中所述A、C层的磺酸根含量为所在层总原料质量的0.5wt％～5wt％。

优选地，上述技术方案中所述B层的厚度为2～10μm。

优选地，上述技术方案中所述A、C层的厚度为10～15μm。

另一方面，本发明提供了一种三层共挤复合质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

S1)将微纳米纤维与含有磺酸根离子的聚合物共混，形成微纳米纤维混合物，然后进行熔融塑化处理；

将含有磺酸根离子的质子交换树脂进行熔融塑化处理；

S2)将熔融塑化的微纳米纤维混合物、质子交换树脂同步从三层共挤流延机的三层复合流延模头中共挤出，并在高倍牵伸比下牵引成膜，得到具有A、B、C三层结构的共挤流延膜；其中，B层结构由微纳米纤维混合物牵引成膜；A、C层结构由质子交换树脂牵引成膜；

S3)将所述共挤流延膜进行退火处理，自然冷却至室温，获得三层共挤复合质子交换膜。

优选地，上述技术方案中所述含有磺酸根离子的聚合物为全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮树脂中的一种；所述含有磺酸根离子的质子交换树脂为磺化聚砜类树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚苯硫醚树脂中的一种或几种。

优选地，上述技术方案步骤2中所述共挤流延膜的B层结构的成膜厚度为2～10μm，A、C层结构的成膜厚度为10～15μm。

优选地，上述技术方案中所述微纳米纤维混合物的磺酸根离子含量为0.03wt％～0.1wt％；所述质子交换树脂的磺酸根离子含量为0.5wt％～5wt％。