[发明专利]一种增强型质子交换膜的制备方法

说明书

在纯氧型质子交换膜燃料电池中，为了避免氢气渗透，需要采用较厚的质子交换膜，但是由于氢氧燃料电池的运行环境湿度较大，容易给质子交换膜带来严重的溶胀问题，在电池停车后电池环境变干又会使质子交换膜发生收缩，进而使质子交换膜受到严重的机械损伤。目前商品化的增强型质子交换膜，通过在膜中引入增强骨架，可以显著降低其溶胀变形率，提高质子膜的机械强度，但是其厚度最多只能达到20微米，无法满足纯氧型燃料电池的应用要求。本发明针对上述问题，提出了一种在现有增强型复合质子交换膜的基础上，制备适用于氢氧燃料电池的多层增强质子交换膜的方法，可以明显的延长膜电极的抗机械衰减能力和寿命。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种燃料电池关键材料增强型质子交换膜的制备方法。

背景技术

人类社会的快速发展，造成石油、煤炭等不可再生资源的过渡使用，给地球生存环境造成了极大的破坏，同时也造成资源的日渐短缺。在美国、欧洲、日本等发达国家的引领下，氢能时代已经到来，但是氢能的使用却不同于传统能源，需要专业的装置将氢能转化为电能为人类使用。质子交换膜燃料电池正是高效利用氢能的一种发电装置，其采用电化学的发电原理，类似于内燃机的工作方式，可以源源不断的把氢中的化学能转化为电能释放出来。因其较高能量转化效率、较大的功率密度以及较低的工作温度，可以在汽运交通、分布电站等民用领域得以应用，同时在航空航天、水下潜艇等军用领域也被广泛关注。

质子交换膜燃料电池的结构是由几十至上百片膜电极、双极板交替串联组成，电池的两端采用绝缘端板密封并夹紧固定，电池工作过程中，气体经共用管道分配到各节膜电极上发生反应，各节电池生成水再经共用管道流出。为了保证有效的气体传输，电池生成水往往需要采用脉冲的方式排放，而在脉冲的过程中，电池气腔的压力会产生波动，膜电极的干湿环境也会发生剧烈变化，进而会给膜电极带来冲击；此外，在电堆组装过程中，膜电极的四周受到的组装力的影响，承受的压力较大，而中间部分则较小，应力的变化也会导致膜电极四周位置比较薄弱，在电池运行环境的波动过程中，会加速膜电极的机械衰减，甚至发生质子的破裂、穿孔的致命损伤。

因此，如何提高膜电极的强度，以应对电堆组装以及运行过程中带来的机械损伤，对于提高燃料电池寿命和可靠性具有非常重要的科学意义。

相关专利

申请号为201510928102.9的专利提出了一种以1-3层薄层增强型质子交换膜为底膜，制备多层的功能性的增强型质子交换膜的方法，通过在膜表面喷涂含有功能性纳米颗粒的Nafion离子树脂溶液，然后高温热压将多层底膜粘合在一起形成多层的增强型质子交换膜。

发明内容

上面相关专利是首先在底膜表面喷涂形成固态的Nafion薄层，通过喷涂Nafion树脂的量来控制膜厚度，然后在高温下使Nafion薄层熔融将多层膜粘合到一起，形成多层的增强型质子交换膜。与之不同的是，本发明首先将薄层的底膜浸渍在离子交换树脂溶液中，使膜充分浸润，然后在膜与膜之间浇筑Nafion溶液来调节制备的膜厚度，首先在中温下烘干，然后在高温下长时间压合，确保膜与膜之间的结合力。并在上述过程中对膜所处环境抽真空形成负压，确保各层之间的气泡被顺利排出。

本发明的目的在于提供一种能够同时解决氢氧燃料电池氢渗透和频繁干湿操作的厚型增强型质子交换膜，以适应氢氧燃料电池特殊的工作环境，进而保证氢氧燃料电池的可靠性和寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：将2-3层常规薄层增强型质子交换膜(聚四氟乙烯多孔膜为骨架的增强膜)合并制备成一种多层的增强型质子交换膜。

所述薄层增强型质子交换膜厚度在10-20微米，中间含有一层聚四氟乙烯增强骨架，所述的多层的增强型质子交换膜的厚度在35-55微米。