[發(fā)明專(zhuān)利]一種三層共擠質(zhì)子交換膜及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010215248.5
• 申請(qǐng)日: 2020-03-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111490278A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王紅兵;唐浩林;邊紅兵
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢惠強(qiáng)新能源材料科技有限公司;河南惠強(qiáng)新能源材料科技股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/1053
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/1053;H01M8/1086
• 代理公司: 武漢華強(qiáng)專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 42237
• 代理人: 康晨

本發(fā)明公開(kāi)了一種三層共擠質(zhì)子交換膜，包括A、B、C三層結(jié)構(gòu)；所述B層位于中間層，A、C層位于上下表層，均包含質(zhì)子交換樹(shù)脂及磺酸根組分；所述B層的磺酸根含量比A、C層的磺酸根含量低，B層的磺酸根含量為B層總原料質(zhì)量的0.05wt％～0.5wt％，A、C層的磺酸根含量為所在層總原料質(zhì)量的1wt％～5wt％。本發(fā)明通過(guò)采用A、B、C三層結(jié)構(gòu)，同時(shí)差異化A、B、C三層的磺酸根含量及膜厚，能夠同時(shí)兼顧質(zhì)子交換膜的機(jī)械強(qiáng)度、熔融溫度及質(zhì)子傳導(dǎo)能力等性能特征。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三層共擠質(zhì)子交換膜及其制備方法。

背景技術(shù)

氫是自然界中普遍存在的一種元素，是可再生清潔能源。質(zhì)子交換膜燃料電池是將氫能轉(zhuǎn)換為電能的重要方式，其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50％以上，且工作溫度低、噪音低，唯一排放的是純凈的水，可以廣泛應(yīng)用于交通工具動(dòng)力來(lái)源和固定電站電源。

質(zhì)子交換膜的性能特征與燃料電池的輸出性能密切相關(guān)，是決定燃料電池內(nèi)界面內(nèi)阻、質(zhì)子傳導(dǎo)能力、氣體滲透率的關(guān)鍵材料，同時(shí)也是決定燃料電池安全性能的關(guān)鍵材料。在水/氣路堵塞等極端條件下，燃料電池內(nèi)部溫度會(huì)極速上升，當(dāng)電池內(nèi)部溫度接近質(zhì)子交換膜材料熔點(diǎn)時(shí)，極易導(dǎo)致破膜引起電池正負(fù)極直接接觸，造成短路和爆炸。理想的質(zhì)子交換膜不僅要具有較低的氣體滲透率、穩(wěn)定的化學(xué)穩(wěn)定性，還要具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力、較高的熔融溫度，以及較低的界面電阻。現(xiàn)有技術(shù)中，質(zhì)子交換膜多為單層結(jié)構(gòu)，很難同時(shí)兼顧機(jī)械強(qiáng)度、熔融溫度、界面電阻及質(zhì)子傳導(dǎo)能力等性能特征。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種三層共擠質(zhì)子交換膜及其制備方法，通過(guò)采用A、B、C三層結(jié)構(gòu)，同時(shí)差異化A、B、C三層的磺酸根含量及膜厚，能夠同時(shí)兼顧質(zhì)子交換膜的機(jī)械強(qiáng)度、熔融溫度及質(zhì)子傳導(dǎo)能力等性能特征。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種三層共擠質(zhì)子交換膜，包括A、B、C三層結(jié)構(gòu)；所述B層位于中間層，A、C層位于上下表層，均包含質(zhì)子交換樹(shù)脂及磺酸根組分；所述B層的磺酸根含量比A、C層的磺酸根含量低。

為優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中所述B層的磺酸根含量為B層總原料質(zhì)量的0.05wt％～0.5wt％。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中所述A、C層的磺酸根含量為所在層總原料質(zhì)量的1wt％～5wt％。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中所述B層的厚度為3～10μm。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中所述A、C層的厚度為10～20μm。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中所述質(zhì)子交換樹(shù)脂為帶有磺酸根基團(tuán)的支鏈磺酸型陰離子聚合物，選用全氟磺酸樹(shù)脂、磺化聚醚醚酮樹(shù)脂、磺化聚砜類(lèi)樹(shù)脂、磺化聚酰亞胺樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯樹(shù)脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚苯硫醚樹(shù)脂中的一種或幾種。

另一方面，本發(fā)明提供了一種三層共擠質(zhì)子交換膜的制備方法，包括以下步驟：

S1)分別對(duì)第一支鏈磺酸型陰離子聚合物和第二支鏈磺酸型陰離子聚合物進(jìn)行熔融塑化；

S2)將熔融塑化的第一支鏈磺酸型陰離子聚合物和第二支鏈磺酸型陰離子聚合物同步從三層共擠流延機(jī)的三層復(fù)合流延模頭中共擠出，并在高倍牽伸比下?tīng)恳赡ぃ玫骄哂蠥、B、C三層結(jié)構(gòu)的共擠流延膜；

S3)將所述共擠流延膜進(jìn)行退火處理，自然冷卻至室溫，獲得三層共擠質(zhì)子交換膜。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中所述支鏈磺酸型陰離子聚合物為全氟磺酸樹(shù)脂、磺化聚醚醚酮樹(shù)脂、磺化聚砜類(lèi)樹(shù)脂、磺化聚酰亞胺樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯樹(shù)脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚苯硫醚樹(shù)脂中的一種或幾種。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案步驟2中所述共擠流延膜的B層結(jié)構(gòu)的厚度為3～10μm，A、C層結(jié)構(gòu)的厚度為10～20μm。