[发明专利]一种增强型质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种增强型质子交换膜，包括：第一全氟磺酸树脂层；复合于所述全氟磺酸树脂层上的第一e‑PTFE膜层；复合于所述第一e‑PTFE层上的第二全氟磺酸树脂层；复合于所述第二全氟磺酸树脂层上的第二e‑PTFE膜层；复合于所述第二e‑PTFE层上的第三全氟磺酸树脂层。本发明制备的增强型质子交换膜具有五层结构，三层为全氟磺酸树脂层，两层为ePTFE层，五层结构中的两侧最外层为全氟磺酸树脂层，并且全氟磺酸树脂层与ePTFE层间隔分布。相比于现有的单层ePTFE增强膜，双层ePTFE增强膜的性能得到明显提升，具有良好双向机械强度和质子电导率。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及一种增强型质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置。燃料电池具有如下特点和优势：不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；没有机械传动部件，故没有噪声污染；所用燃料为氢气和氧气，产物是水，无有害气体排放。在各种类型燃料电池中，质子交换膜燃料电池更具有运行温度低、可低温快速启动、功率密度高和寿命长等特点，在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池的核心是质子交换膜，它具有两个重要作用：1、用来传导质子，同时对电子绝缘；2、隔绝燃料与空气，避免二者直接发生反应，造成化学短路。质子交换膜常规采用全氟磺酸树脂膜，它具有高质子电导率和良好化学稳定性。但是，全氟磺酸树脂膜，在高湿度下吸附水分，发生体积膨胀(溶胀)；在低湿度下脱附水分，发生体积收缩。在实际运行条件下，质子交换膜频繁承受湿度环境的变化，致使其发生溶胀和收缩，并带来膜体的应力变化，严重影响质子交换膜的机械耐久性。目前，提高机械耐久性主要是采用膨体聚四氟乙烯微孔膜(ePTFE膜)等材料作为基体骨架来改性全氟磺酸膜[ULTRA-THININTEGRALCOMPOSITE MEMBRANE，US Patent Number:5,547,551]。通过在全氟磺酸树脂膜的膜体中加入ePTFE膜，能够提高膜机械强度，并抑制膜体的过度溶胀，从而改善膜体的机械耐久性。

现有商用增强型质子交换膜，采用单层ePTFE增强质子交换膜的膜体，膜体的溶胀仍然较大，机械强度仍有不足，需要进一步改善，以提升质子交换膜的耐久性，进而提升实际工况条件运行的燃料电池的寿命。

另一方面，ePTFE增强型质子交换膜的问题点在于，亲水的磺酸离聚物与高度疏水的ePTFE基材不相容，带来的问题是，采用溶液流延法制膜时，亲水的离聚物难以充分浸入和填充ePTFE膜内孔，特别是为了改善机械强度，而使用较厚的ePTFE基材时，导致膜内部存在孔隙，燃料电池运行期间，湿度变化会引起磺酸离聚物的反复溶胀和收缩，引发孔隙扩展，进而在界面处出现裂纹，甚至分层，最终导致燃料电池性能衰减。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种增强型质子交换膜及其制备方法，本发明提供的增强型质子交换膜具有良好的机械强度和质子电导率。

本发明提供了一种增强型质子交换膜，包括：

第一全氟磺酸树脂层；

复合于所述全氟磺酸树脂层上的第一e-PTFE膜层；

复合于所述第一e-PTFE层上的第二全氟磺酸树脂层；

复合于所述第二全氟磺酸树脂层上的第二e-PTFE膜层；

复合于所述第二e-PTFE层上的第三全氟磺酸树脂层。

优选的，所述第一e-PTFE膜层的厚度为5～20μm；所述第二e-PTFE膜层的厚度为5～20μm。

优选的，所述第一全氟磺酸树脂层的厚度为5～20μm；所述第二全氟磺酸树脂层的厚度为5～20μm；

所述第三全氟磺酸树脂层的厚度为5～20μm。