[发明专利]一种增强型PEM水电解质子交换膜及其连续化制备方法

说明书

本发明公开一种水电解质子交换复合膜，从上至下依次包括保湿层、全氟磺酸树脂层一、微孔层、氧化层层及全氟磺酸树脂层二；制备方法为：A、微孔膜与支撑基膜进行贴合处理，形成复合支撑体；B、将铸膜液涂布在复合支撑体上，并将保湿剂喷涂在树脂液上，形成复合层一；C、将铸膜液涂布在支撑基膜上，完全干燥后继续喷涂自由基淬灭剂层，形成复合层二；将复合层一从支撑基膜上进行剥离，使复合层一的微孔层与复合层二的抗氧化层辊压复合，形成质子交换复合膜；本发明的抗氧化剂和保水剂同时用于膜电极制备当中，这两者添加组分互不干扰，使全氟磺酸树脂质子交换膜具有优异的抗氧化性和保水性，大大提升膜电极的稳定性和寿命。

技术领域

本发明涉及一种增强型PEM水电解质子交换膜及其连续化制备方法，属于质子交换膜材料领域。

背景技术

水电解提供了一种由水制氢的能量转化路线，如果电解水的电源完全来自可再生能源，便可真正地实现CO₂的零排放。膜电极作为水电解的关键部件，成本的降低及寿命的延长是解决PEM水电解走向商业化应用的关键因素。但是由于PEM水电解为高电位、强析气、富氧环境，因此，膜电极材料需要具有良好的化学稳定性，同时也需要有足够好的电子电导性和导热性，因此，选择同时具有高化学稳定性和高导电导热性的材料成为PEM水电解膜电极材料的关键。

高温水电解采用水蒸气为原料电解制氢，具有电极动力学反应速率快、贵金属催化剂用量低、能量利用率高等优点。但是在高温环境下，常用的Nafion系列膜由于玻璃转化温度低、尺寸变形大、电导率迅速下降而难以使用。

目前减少全氟磺酸树脂用量成为降低质子交换膜成本的主要途径。聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜因具有强的机械强度和尺寸及化学稳定性而被用作支撑体，通过直接向孔内浇铸全氟磺酸树脂制成复合膜，减少了全氟磺酸树脂的用量，而且能够减少膜的厚度，降低了质子交换膜的成本。但是聚四氟乙烯微孔膜因其本身特性，在质子交换复合膜生产过程中，容易出现拉伸过度、变形以及贴合困难等问题，这导致制备的质子交换复合膜具有厚度不均、表面不光滑、透明度低等瑕疵，严重影响质子交换膜的批量化生产和运用。并且碍于聚四氟乙烯多孔膜强烈的憎水性和丰富的微孔，浇铸树脂后的复合膜仍保留少许孔隙，致使膜电极两侧的燃料和氧化剂容易渗透，降低了燃料的利用率、电池的放电性能和稳定性。

发明内容

基于以上背景技术，本发明的目的是提供一种增强型PEM水电解质子交换膜及其连续化制备方法，通过层结构的设置和制备方法解决微孔膜在制备质子交换复合膜过程中出现的均匀性、稳定性问题，制备出具有多功能层的复合质子交换膜。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种水电解质子交换复合膜，依次包括保湿层、全氟磺酸树脂层一、微孔层、抗氧化层及全氟磺酸树脂层二；

所述保湿层含有保湿剂，所述保湿剂为纳米添加物，所述纳米添加物具体为Ag₂O、Al₂O₃、ZnO、SiO₂、CaO、ZrO、Fe₂O₃中的一种或多种的组合；所述抗氧化层包括自由基淬灭剂；

其中，保湿层为水电解质子交换复合膜中的阴极侧，抗氧化层为水电解质子交换复合膜中的阳极侧。

本发明进一步设置为：所述保湿层中纳米添加物的颗粒粒径为5-50nm，所述保湿层厚度为0.1-0.5μm。

本发明进一步设置为：所述全氟磺酸树脂层一的厚度为8-15μ m，全氟磺酸树脂层二的厚度为3-8μm。

本发明进一步设置为：所述微孔层为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)任意一种；所述微孔层的厚度为3-10μm，孔隙率大于85％。