[发明专利]一种复合质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种复合质子交换膜及其制备方法和应用，所述复合质子交换膜包括第一离子交换树脂膜、第二离子交换树脂膜和设置于所述第一离子交换树脂膜和第二离子交换树脂膜之间的多孔聚合物膜，所述第二离子交换树脂膜两侧设置有自由基清除剂和金属离子吸附剂，所述多孔聚合物膜的一侧进行表面改性，所述表面改性的一侧靠近第二离子交换树脂膜，本发明在离子交换树脂中加入金属氧化物自由基清除剂的同时，还掺入了金属离子吸附材料，解决了金属离子溶解和迁移的问题，所述复合质子交换膜有低渗透高耐久的特点。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种复合质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池是利用氢气和氧气电化学反应产生的化学能直接转变为电能的发电装置。其中，质子交换膜是燃料电池中最核心的部件之一。美国戈尔公司生产的聚四氟乙烯(e-PTFE)基复合质子交换膜是目前商业化应用最广泛的质子膜，全球销量第一。但是实际使用过程中，由于这种e-PTFE与离子聚合物电解质二者相容性较差，使得复合质子交换膜内部会存在着微孔，一方面导致质子交换膜的抗气体渗透性降低，另一方面在燃料电池实际运行中，在一定压力下，会加速质子交换膜的燃料气体渗透致使阴极侧会生成氢氧自由基攻击分子链，最终导致燃料电池的耐久性能快速衰减。

CN111916807A公开了一种超薄增强型复合质子交换膜、制备方法及应用，其采用的是等离子处理技术对聚四氟乙烯进行表面改性，再浸渍全氟磺酸树脂和聚乙烯醇混合溶液，再采用加热辊压、拉伸成型的工艺制备了超薄增强型复合质子交换膜。

CN112652796A公开了一种高耐久性氢燃料电池质子交换膜及其制备方法和应用，其引入了纳米棒状的金属氧化物自由基清除剂，通过控制纳米棒的长径比，在一定程度上减少金属氧化物纳米颗粒的迁移。

上述方案采用e-PTFE改性磺酸树脂，虽然提高了机械强度和抗气体渗透能力，但是氢质子传导速率降低；采用自由基清除剂虽然在耐久性上有一定改善，但会造成金属离子的溶解和迁移，导致电池性能的衰减，因此，开发一种保证质子交换膜的机械强度和抗气体渗透能力的同时氢质子传导速率高且耐久性高的质子交换膜以提高电池性能是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合质子交换膜及其制备方法和应用，本发明选用亲水型气凝胶改性多孔聚合物膜作为基底膜，以具有极低密度、超高表面积、易分散性以及与聚合物良好的界面相互作用等优异的性能的气凝胶作为改性剂，在带有背底层的多孔聚合物膜上进行了一侧表面静电喷涂亲水型气凝胶，以实现多孔聚合物膜的界面相容性改性，同时最大程度上降低了多孔聚合物膜的起皱收缩等变形。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种复合质子交换膜，所述复合质子交换膜包括第一离子交换树脂膜、第二离子交换树脂膜和设置于所述第一离子交换树脂膜和第二离子交换树脂膜之间的多孔聚合物膜，所述第二离子交换树脂膜包括自由基清除剂和金属离子吸附剂，所述多孔聚合物膜的一侧进行表面改性，所述表面改性的一侧靠近第二离子交换树脂膜。

本发明所述复合质子交换膜为一种三明治结构的复合膜，有低渗透高耐久的特点，本发明在离子交换树脂中加入金属氧化物自由基清除剂的同时，还掺入了金属离子吸附材料，解决了金属离子溶解和迁移的问题，经20000圈的OCV加速耐久测试后，未发现金属离子的逸出，电压降幅减小，质子膜的耐久性得到了提高。

优选地，所述第一离子交换树脂膜和/或第二离子交换树脂膜的材质独立地包括聚全氟磺酸树脂。

优选地，所述多孔聚合物膜的材质包括聚四氟乙烯。

优选地，所述多孔聚合物膜的平均孔径为0.1～1μm，例如：0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm或1μm等。

优选地，所述多孔聚合物膜的平均厚度为4～10μm，例如：4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。