一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池与流程

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种高效、零排放、低噪音的能源利用方式，非常适合应用于氢能源领域。在氢燃料电池中，主要核心部件是膜电极，膜电极由阴极气体扩散层、阴极催化剂、质子交换膜、阳极催化剂、阳极气体扩散层组成，其中质子交换膜起到传输质子和隔绝气体的作用，是膜电极中的核心部件。

2、氢燃料电池的工作温度在100℃以下时，往往存在如下缺点：(1)低温下，电催化活性较低；(2)低温时，燃料中的杂质容易引起催化剂的中毒，降低催化效率；(3)使用甲醇作为燃料时，低温下催化效率低，易导致未反应的甲醇透过质子交换膜发生性能的衰减。故而，提高燃料工作温度是一种有效的手段。传统的质子交换膜在高温(＞100℃)低湿条件下性能发生严重衰退，开发高温质子交换膜是一种有效的手段。

3、目前，采用无机材料、有机材料、无机/有机复合材料掺杂改性全氟磺酸树脂，以流延法、旋涂法等方法制备质子交换膜。但无机物掺杂树脂溶液制备质子交换膜容易导致导电性物质在高温低湿条件下流失，在高温下自由基攻击使得质子交换膜发生降解。

4、有鉴于此，特提出此发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种质子交换膜，在高温低湿条件下具有优异的质子电子导电率、力学性能、稳定性和耐久性。

2、本发明的第二目的在于提供一种质子交换膜的制备方法，提升了运输水的通道和质子传递通道。

3、本发明的第三目的在于提供一种燃料电池，减少了在高温下性能的衰减。

4、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

5、本发明提供了一种质子交换膜，包括依次设置的树脂层、增强层和树脂层；

6、所述树脂层主要由以下质量份数的原料制得：全氟磺酸树脂15～25份和自由基淬灭剂1～5份；

7、所述增强层主要由以下质量份数的原料制得：间位聚苯咪唑15～25份和杂多酸1～10份。

8、进一步地，所述杂多酸包括硅钨酸、磷钨酸和磷钼酸中的至少一种。

9、进一步地，所述自由基淬灭剂包括ceo2、mno2、wo3、fe3o4和ruo2中的至少一种。

10、进一步地，所述树脂层的厚度为4～6μm。

11、进一步地，所述增强层的厚度为2～4μm。

12、本发明还提供了如上所述的质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

13、s1、依次采用树脂层纺丝液进行静电纺丝、采用增强层纺丝液进行静电纺丝，采用树脂层纺丝液进行静电纺丝，得到复合膜；

14、其中，所述树脂层纺丝液，按照质量份计，包括：全氟磺酸树脂15～25份、自由基淬灭剂1～5份和有机溶剂75～85份；

15、所述增强层纺丝液，按照质量份数计，包括：间位聚苯咪唑15～25份、杂多酸1～10份和有机溶剂75～85份；

16、s2、所述复合膜依次进行真空热处理和热压处理后，得到所述质子交换膜。

17、进一步地，步骤s1中，所述静电纺丝的条件为：电压为7～17kv，温度为25～35℃，湿度为20～40％rh，时间为20～120min。

18、进一步地，步骤s2中，所述真空热处理包括：在80～160℃下真空热处理1～3h。

19、进一步地，步骤s2中，所述热压处理包括：在2～8mpa、120～150℃的条件下热压处理30～180s。

20、本发明还提供了一种燃料电池，包括如上所述的质子交换膜。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、1、本发明的质子交换膜，以全氟磺酸树脂、自由基淬灭剂、间位聚苯咪和杂多酸为原料；其中，杂多酸的添加提高了质子交换膜在高温下的质子传输能力，自由基淬灭剂的添加保证了其不受自由基的攻击，从而使质子交换膜在高温低湿条件下具有优异的质子电子导电率、力学性能、稳定性和耐久性。

23、2、本发明的质子交换膜的制备方法，通过采用静电纺丝的方法，将增强层和树脂层紧密结合，提高了质子交换膜的力学性能，同时运输水的通道和质子传递通道获得极大的提升。

技术特征：

1.一种质子交换膜，其特征在于，包括依次设置的树脂层、增强层和树脂层；

2.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述杂多酸包括硅钨酸、磷钨酸和磷钼酸中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述自由基淬灭剂包括ceo2、mno2、wo3、fe3o4和ruo2中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述树脂层的厚度为4～6μm。

5.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述增强层的厚度为2～4μm。

6.如权利要求1～5任一项所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述静电纺丝的条件为：电压为7～17kv，温度为25～35℃，湿度为20～40％rh，时间为20～120min。

8.根据权利要求6所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述真空热处理包括：在80～160℃下真空热处理1～3h。

9.根据权利要求6所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述热压处理包括：在2～8mpa、120～150℃的条件下热压处理30～180s。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的质子交换膜。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池。本发明提供的一种质子交换膜，包括依次设置的树脂层、增强层和树脂层；所述树脂层主要由以下质量份数的原料制得：全氟磺酸树脂15～25份和自由基淬灭剂1～5份；所述增强层主要由以下质量份数的原料制得：间位聚苯咪唑15～25份和杂多酸1～10份。本发明的质子交换膜，通过杂多酸的添加提高了质子交换膜在高温下的质子传输能力，通过自由基淬灭剂的添加保证了其不受自由基的攻击，从而使质子交换膜在高温低湿条件下具有优异的质子电子导电率、力学性能、稳定性和耐久性。

技术研发人员：郝亚士,方川,汪尚尚,段宇廷
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21