自增强质子交换膜及其制备方法和应用与流程

本技术涉及水电解制氢，尤其涉及一种自增强质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、质子交换膜(proton exchange membrane，pem)的结构特征与质子交换膜电解水制氢装备的物化性能紧密相关，是决定pem电解水制氢装备电解效率、使用成本和运行安全的关键材料。

2、当前，pem电解水制氢装备所使用的质子交换膜主要为长支链质子交换膜和短支链质子交换膜。其中，长支链质子交换膜，使用成本相对低，但其成膜致密程度、耐压机械强度和使用稳定性都不具备优势；短支链质子交换膜，具备更高的成膜结晶度、更高的耐压机械强度和使用稳定性，但其使用成本非常昂贵。

3、如何有效的在提升pem电解水制氢用质子交换膜物化性能的同时，兼顾其使用成本，对促进pem电解水制氢领域的发展具有重要的意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的一个目的在于提供一种自增强质子交换膜，采用第一长支链磺酸树脂层、短支链磺酸树脂层和第二长支链磺酸树脂层依次叠层设置的三层结构设计，使其具有较高的强度、耐压性、较低的气体渗透的优点，同时还可以有效的控制其使用成本。

2、本技术的另一个目的在于提供一种自增强质子交换膜的制备方法。

3、本技术的又一个目的在于提供自增强质子交换膜的应用。

4、本技术的又一个目的在于提供一种水电解制氢装置。

5、为达到上述目的，本技术的第一方面实施例提出了一种自增强质子交换膜，包括依次叠层设置的第一长支链磺酸树脂层、短支链磺酸树脂层和第二长支链磺酸树脂层。

6、在一些实施例中，所述第一长支链磺酸树脂层和所述第二长支链磺酸树脂层的材料在280℃、2.16kg条件下的熔融指数为0.5-30g/10min。

7、在一些实施例中，所述短支链磺酸树脂层的材料在280℃、2.16kg条件下的熔融指数为0.5-30g/10min。

8、在一些实施例中，所述第一长支链磺酸树脂层和所述第二长支链磺酸树脂层的材料均包括长支链全氟磺酸树脂、长支链部分氟化磺酸树脂、长支链烃基取代的磺酸树脂中的至少一种。

9、在一些实施例中，所述短支链磺酸树脂层的材料包括短支链全氟磺酸树脂、短支链部分氟化磺酸树脂、短支链烃基取代的磺酸树脂中的至少一种。

10、在一些实施例中，所述自增强质子交换膜采用多层共挤的方式制备。

11、在一些实施例中，所述第一长支链磺酸树脂层和所述第二长支链磺酸树脂层的厚度均为20-50μm。

12、在一些实施例中，所述短支链磺酸树脂层的厚度为10-25μm。

13、为实现上述目的，本技术第二方面实施例提出了一种自增强质子交换膜的制备方法，包括：

14、将第一长支链磺酰氟树脂、第二长支链磺酰氟树脂和短支链磺酰氟树脂分别熔融塑化；

15、将熔融塑化的第一长支链磺酰氟树脂、第二长支链磺酰氟树脂和短支链磺酰氟树脂同步挤入可形成三层结构的多腔共挤模头中共挤出，并牵引成膜，得到共挤磺酰氟流延膜；

16、将所述共挤磺酰氟流延膜进行水解酸化处理，随后洗涤、干燥，即得所述自增强质子交换膜。

17、在一些实施例中，所述第一长支链磺酰氟树脂、第二长支链磺酰氟树脂在280℃、2.16kg条件下的熔融指数为0.5-30g/10min。

18、在一些实施例中，所述短支链磺酰氟树脂在280℃、2.16kg条件下的熔融指数为0.5-30g/10min。

19、在一些实施例中，所述第一长支链磺酰氟树脂、第二长支链磺酰氟树脂、短支链磺酰氟树脂的熔融塑化温度均为180-360℃。

20、在一些实施例中，所述牵引成膜的牵伸比倍率为1-3。

21、在一些实施例中，所述共挤出的工艺条件为：挤出机喂料段温度为50-180℃、挤出机压缩段温度为100-360℃、挤出机熔融段温度为180-360℃、挤出机计量段温度180-360℃、分配器温度为180-360℃、流道温度为180-360℃、多腔模头温度为180-360℃，螺杆转速为10-1000rpm；

22、在一些实施例中，所述将所述共挤磺酰氟流延膜进行水解酸化处理，包括：将所述共挤磺酰氟流延膜依次经碱溶液水解反应和酸化反应处理。

23、在一些实施例中，所述第一长支链磺酰氟树脂、第二长支链磺酰氟树脂均为长支链全氟磺酰氟树脂、长支链部分氟化磺酰氟树脂、长支链烃基取代的磺酰氟树脂中的至少一种。

24、在一些实施例中，所述短支链磺酰氟树脂为短支链全氟磺酰氟树脂、短支链部分氟化磺酰氟树脂、短支链烃基取代的磺酰氟树脂中的至少一种。

25、在一些实施例中，所述碱溶液水解反应所用的碱溶液包括氢氧化锂、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的至少一种。

26、在一些实施例中，所述碱溶液水解反应的温度为20-100℃，所述碱溶液水解反应的时间为5-240min。

27、在一些实施例中，所述酸化反应处理所用的酸溶液包括硫酸溶液、盐酸溶液、磷酸溶液、硝酸溶液中的至少一种。

28、在一些实施例中，所述酸化反应处理的温度为20-100℃，所述酸化反应处理的时间为5-240min。

29、为实现上述目的，本技术第三方面实施例涉及本技术实施例的自增强质子交换膜或者本技术实施例的自增强质子交换膜的制备方法制备的自增强质子交换膜在水电解制氢领域的应用。

30、为实现上述目的，本技术第四方面实施例提出了一种水电解制氢装置，包括本技术实施例的自增强质子交换膜或者本技术实施例的自增强质子交换膜的制备方法制备的自增强质子交换膜。

31、本技术实施例的自增强质子交换膜，至少可以带来以下有益效果：

32、1、采用第一长支链磺酸树脂层、短支链磺酸树脂层和第二长支链磺酸树脂层依次叠层设置的三层结构设计，使其具有较高的强度、耐压性、较低的气体渗透的优点，同时还可以有效的控制其使用成本。

33、2、可广泛应用于水电解制氢。

34、本技术实施例的自增强质子交换膜的制备方法，至少可以带来以下有益效果：

35、1、以第一长支链磺酰氟树脂、第二长支链磺酰氟树脂和短支链磺酰氟树脂为原料，采用多层共挤结合水解酸化处理的方式，成功制备得到了第一长支链磺酸树脂层(a1)、短支链磺酸树脂层(b)和第二长支链磺酸树脂层(a2)多层自增强结构(也即a1/b/a2多层自增强结构)的质子交换膜，稳定性和结晶性更好的短支链磺酸树脂作为中间层，有效的提升了质子交换膜的机械强度、耐久性和耐压性，减小了其气体渗透，起到自增强的作用。

36、2、制得的a1/b/a2多层自增强结构的质子交换膜，a1、a2和b均为磺酸树脂，界面相容性好，欧姆电阻小，质子传导能力强。

37、3、制备得到的a1/b/a2多层自增强结构的质子交换膜，结合了长支链磺酸树脂和短支链磺酸树脂各自的特性，在做到优越的机械强度、高的耐久耐压稳定性和较低的气体渗透的同时，兼顾了制造成本的有效可控。

38、4、制得的a1/b/a2多层自增强结构的质子交换膜可用于水电解制氢。

39、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。