[发明专利]一种三层共挤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质子交换膜，包括A、B、C三层结构；所述B层位于中间层，A、C层位于上下表层，均包含质子交换树脂及磺酸根组分；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0.05wt％～0.5wt％，A、C层的磺酸根含量为所在层总原料质量的1wt％～5wt％。本发明通过采用A、B、C三层结构，同时差异化A、B、C三层的磺酸根含量及膜厚，能够同时兼顾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。

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质子交换膜及其制备方法。

背景技术

氢是自然界中普遍存在的一种元素，是可再生清洁能源。质子交换膜燃料电池是将氢能转换为电能的重要方式，其能量转换效率高达50％以上，且工作温度低、噪音低，唯一排放的是纯净的水，可以广泛应用于交通工具动力来源和固定电站电源。

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三层的磺酸根含量及膜厚，能够同时兼顾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质子交换膜，包括A、B、C三层结构；所述B层位于中间层，A、C层位于上下表层，均包含质子交换树脂及磺酸根组分；所述B层的磺酸根含量比A、C层的磺酸根含量低。

为优选地，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0.05wt％～0.5wt％。

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1wt％～5wt％。

优选地，上述技术方案中所述B层的厚度为3～10μm。

优选地，上述技术方案中所述A、C层的厚度为10～20μm。

优选地，上述技术方案中所述质子交换树脂为带有磺酸根基团的支链磺酸型阴离子聚合物，选用全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮树脂、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。

另一方面，本发明提供了一种三层共挤质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

S1)分别对第一支链磺酸型阴离子聚合物和第二支链磺酸型阴离子聚合物进行熔融塑化；

S2)将熔融塑化的第一支链磺酸型阴离子聚合物和第二支链磺酸型阴离子聚合物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；

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

优选地，上述技术方案中所述支链磺酸型阴离子聚合物为全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮树脂、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层结构的厚度为3～10μm，A、C层结构的厚度为10～20μm。