[發明專利]一種質子交換膜及其制備方法和燃料電池

有效

• 申請號: 202110644580.8
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113363542B
• 公開（公告）日: 2023-02-14
• 發明（設計）人: 黃衡恢;樊建濤;張立;陳海平;黃逸斐
• 申請（專利權）人: 深圳市通用氫能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1069
• 分類號: H01M8/1069;H01M8/1072;H01M8/1088;H01M8/1039;C08F226/04;C08F212/14;C08F226/02;C08F228/02
• 代理公司: 深圳市韋恩肯知識產權代理有限公司 44375
• 代理人: 黃昌平

本發明公開了一種質子交換膜的制備方法，首先在65℃?80℃的反應溫度及氮氣條件下，向二元烯烴胺、乙烯基磺酸鹽及水溶劑的混合溶液加入引發劑以引發二元烯烴胺與乙烯基磺酸鹽發生自由基聚合反應得到線性預聚物溶液；接著將線性預聚物溶液與全氟磺酸樹脂分散液及混合多元醇按預設比例進行混合反應，以得到聚合物漿料；最后將聚合物漿料涂覆成膜，并對涂覆形成的膜進行干燥、固化成型，以得到具有交聯互穿網絡結構的質子交換膜；本發明以高穩定交聯聚合物網絡為骨架，與全氟磺酸聚合物分子實現互穿網絡，在宏觀上和微觀上實現抑制質子交換膜的溶脹度，本發明還公開了一種通過上述制備方法制備得到的質子交換膜及包括該質子交換膜的燃料電池。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別涉及一種質子交換膜及其制備方法和燃料電池。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池領域的重要分支，質子交換膜(PEM)是質子交換膜燃料電池的核心部件之一，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，同時對質子交換膜燃料電池中的陽極氫燃料和陰極氧化物起到阻隔作用。

在質子交換膜燃料電池啟動-運行-停機過程中，質子交換膜處于干燥-濕潤-干燥及低溫-高溫-低溫的變化中，即質子交換膜長期處于干濕循環及冷熱循環的環境變化下，導致質子交換膜隨之發生反復溶脹-收縮的形變。由于質子交換膜為高分子聚電解質，在反復形變下質子交換膜會發生蠕變甚至永久形變，導致質子交換膜燃料電池的催化層與質子交換膜之間出現裂縫和缺陷。另外，在干濕循環的環境變化下，質子交換膜本身易受反復溶脹-收縮形變引起的應力變化的影響，會出現細紋、變薄，褶皺等現象，嚴重影響質子交換膜的機械使用壽命。

質子交換膜的結構對質子交換膜燃料電池的性能具有極大的影響，且質子交換膜的溶脹度是影響質子交換膜使用機械壽命的重要因素。質子交換膜的溶脹度越高，其在干濕循環及冷熱循環的環境變化中形變程度高，進而引起的應力變化也會越顯著，嚴重影響質子交換膜的機械使用壽命。

現有技術中，為了減小質子交換膜的溶脹度，研究人員通過在質子交換膜內部添加微孔增強層，如微孔聚四氟乙烯膜(PTFE)、微孔聚偏氟乙烯膜(PVDF)等，上述材料具有高的熱穩定性及機械強度，可從宏觀上保證質子交換膜在濕潤和高溫條件下具有較低溶脹度(＜5％)。然而，此方法不能從微觀上抑制質子交換膜的溶脹度，另外，由于上述添加的微孔增強層為平面結構，在質子穿透方向上不能控制溶脹效應，因而在質子穿透方向上質子交換膜的溶脹度往往會過高。

發明內容

基于此，有必要提供一種能夠從宏觀及微觀上抑制質子交換膜的溶脹度的質子交換膜及其制備方法和燃料電池。

為達上述目的，本發明提供了一種質子交換膜的制備方法，包括如下步驟：

制備線性預聚物溶液；所述線性預聚物溶液由二元烯烴胺、乙烯基磺酸鹽及水溶劑的混合溶液在65℃-80℃的反應溫度及氮氣條件下加入引發劑后引發所述混合溶液內的二元烯烴胺與乙烯基磺酸鹽發生自由基聚合反應所得；

將所述線性預聚物溶液與全氟磺酸樹脂分散液及混合多元醇按預設比例進行混合反應，以得到聚合物漿料；

將所述聚合物漿料涂覆成膜，并對涂覆形成的膜進行干燥、固化成型，以得到具有交聯互穿網絡結構的質子交換膜。

優選地，所述制備線性預聚物溶液的步驟包括：

將第一預設量的二元烯烴胺與第二預設量的乙烯基磺酸鹽混合，得到預混合物，將所述預混合物溶于第三預設量的水溶劑中，攪拌均勻得到混合溶液；

在65℃-80℃的反應溫度及氮氣條件下，向所述混合溶液中加入引發劑以引發所述混合溶液內的二元烯烴胺與乙烯基磺酸鹽發生自由基聚合反應，以得到所述線性預聚物溶液。

優選地，所述將所述線性預聚物溶液與全氟磺酸樹脂分散液及混合多元醇按預設比例進行混合反應，得到聚合物漿料的步驟之前還包括：