[发明专利]一种高强度超薄的一体化质子交换膜

说明书

本发明涉及电化学储能领域，具体是指一种高强度超薄的一体化质子交换膜。采用先进的飞秒加工或微纳压印技术在具有优良离子选择性的质子交换膜的两侧加工出相互垂直的微米级尺寸的加强筋，进而实现上下两侧的加强筋作为支撑、超薄的中间层实现离子选择的高强度超薄的一体化质子交换膜的构建。本发明中质子交换膜两侧的加强筋可以在大幅降低中间层厚度的同时保证其具有较高的机械强度，从而可以在保证质子交换膜机械强度及稳定性的前提下大幅降低质子交换膜以及整个电池的内阻。本发明利用具有优异的离子选择性的特点，结合飞秒加工或微纳压印等先进的、易于大规模生产的加工手段，有利于实现所述高强度超薄的一体化质子交换膜的制备与批量生产。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，具体是指一种高强度超薄的一体化质子交换膜，可以广泛应用于液流电池和燃料电池等。

背景技术

近年来，化石能源和温室效应等问题日益加剧，提高风能和太阳能等可再生清洁能源在能源消耗中的占比更加迫切。但风能和太阳能的发电很不稳定，可再生能源直接并网发电会给电网带来较大冲击，在我国每年因之弃置的风能和太阳能约1000亿度。因此，如何充分的利用风能和太阳能发电已成为提高可再生能源在能源消耗占比的关键。氢燃料电池被认为是一种非常有前景的零碳排放动力源，以燃料电池为动力的汽车和货车等设施在世界范围内得到了大力推广。其中，风电和太阳能产生的弃电可以通过电解水制氢得到充分的利用，同时也为氢燃料电池提供了重要的燃料来源。另一方面，建立安全、经济、高效的储能系统用以存储上述弃电也可最大限度利用风能和太阳能。

在大型储能系统中，全钒液流电池因其优异的安全性、超长的工作寿命和良好的电池性能在大型储能系统中展现出巨大的应用前景。质子交换膜作为氢燃料电池和全钒液流电池中最为重要的部件之一，其内阻大小将直接决定着电池的能量效率的大小。降低质子交换膜内阻最直接有效的方式为降低质子交换膜的厚度。但质子交换膜太薄导致其机械性能变差，无法在电池中使用。为解决这个问题，有些学者尝试用不同的材料作为支撑层来提高较薄质子交换膜的机械性能。但使用不同的材料作为质子交换膜的支撑层不仅很难解决材料间相分离的问题，而且工艺复杂，不适合批量化生产。

发明内容

本发明主要针对传统质子交换膜离子选择性和离子传导性的矛盾问题，提出一种高强度超薄的一体化质子交换膜，通过在具有优良离子选择性的质子交换膜的表面直接加工“加强筋”作为支撑结构，解决了现有方法中支撑层与离子选择层之间相分离的问题，大大提高了质子交换膜的机械强度和机械稳定性，其制备工艺简单，可操作性强，便于批量化生产。

本发明的技术方案是：

一种高强度超薄的一体化质子交换膜，针对具有优良离子选择性的质子交换膜，采用先进的、可规模化生产的加工技术，在上述质子交换膜的上下两侧或单侧加工出微米级尺寸的“加强筋”，使质子交换膜为薄膜部分及其两侧或单侧的加强筋组成的一体结构；其中，每侧的“加强筋”排布作为支撑层，支撑层的高度为10～30μm；薄膜部分作为功能层，功能层的厚度为4～10μm。

所述的高强度超薄的一体化质子交换膜，功能层用于保证质子交换膜具有较高的离子选择性和较低的离子传输阻抗，离子选择性和离子传输阻抗的技术指标为：全钒液流电池中200mA/cm²的电流密度下，库伦效率(CE)在98％以上，电压效率(VE)在75％以上；支撑层用于保证质子交换膜具有优良的机械强度，机械强度的技术指标为：在Flow-by的全钒液流电池中，可以在25～70％的压缩比下稳定工作；同时，支撑层和功能层的一体化结构，保证质子交换膜的循环稳定性，循环稳定性的技术指标为：稳定工作1000次充放电循环而无明显的性能衰减。