一种图案化质子交换膜及其制备方法与应用与流程

本发明属于离子电池，尤其涉及一种图案化质子交换膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、与内燃机等传统能源转换技术相比，燃料电池是一种高效能源转换装置，其将燃料中的化学能(如氢、甲醇、乙醇或天然气)转化为电能，反应过程中不受卡诺循环的限制，具有更高的能量转换效率和更低的温室气体排放，广泛应用于汽车以及便携式电力装置中。

2、在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池因其清洁、高效、零污染、操作温度低、启动迅速等特点，被认为是最具潜力的能源转换装置。质子交换膜(pronton exchangemembrane，pem)作为质子交换膜燃料电池的关键组成部件，主要承担着传输质子和阻隔燃料渗透等作用，其性能好坏直接决定了质子交换膜燃料电池的使用寿命以及效率。

3、为了获得更加高效、安全以及耐久性的质子交换膜燃料电池，质子交换膜应具备以下优势：1)较高的质子传导率，质子传导率是pem最关键的性能之一，快速高效的质子传输势必能获得优异的pemfc性能。一般条件下，质子传导率可以达到0.1s/cm的数量级。2)良好的抗气体渗透性能，较低的气体渗透是pemfc维持长期工作的重要基础，倘若气体渗透严重，会损失一部分的开路电压，造成pemfc输出性能的下降。3)具备良好的化学稳定性，具有稳定的化学结构的质子交换膜材料在燃料电池中运行时，降解速度比较缓慢。4)较高的机械稳定性，质子交换膜在进行膜电极组装的时候，拉伸强度需≥5mpa，否则膜材料极易被压溃而造成电池性能的损失。5)优异的热稳定性，质子交换膜材料具备较好的热稳定性，才不会因热降解带来膜材料与催化剂的接触不良。

4、但是，现有的商用质子交换膜主要是全氟磺酸质子膜，如果从纯材料体系上寻求突破，很难再进一步的提高燃料电池性能。此外，目前商用质子膜的制备工艺做出来的质子膜通常表面光滑致密，近似于二维平面，其表面与催化层存在较差的界面结构。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种图案化质子交换膜及其制备方法与应用，旨在解决现有的商用质子交换膜表面光滑致密、其表面与催化层存在较差的界面结构等问题。

2、为了达到上述目的，一方面，本发明实施例提供一种图案化质子交换膜，包括膜本体，所述膜本体靠近催化层的侧面上均匀设置有若干图案，所述催化层与所述图案相适配设置；所述图案的深度为0.5μm～100μm；所述图案的表面涂覆有树脂。

3、作为优选的实施方式，所述图案为沟壑型图案、螺旋型图案或点阵型图案中的至少一种。

4、作为优选的实施方式，当所述图案为沟壑型图案时，所述沟壑型图案的深度为0.5μm～100μm、宽度为0.5μm～100μm；相邻所述沟壑型图案的间距为0.5μm～100μm。

5、作为优选的实施方式，所述膜本体为膨胀多孔膜，优选为eptfe膜。

6、另一方面，本发明实施例还提供所述图案化质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

7、s01、将第一树脂涂覆于板材的侧面，得到涂覆板材；所述侧面上设置有若干图案；所述涂覆的高度为10μm～240μm；

8、s02、将膨胀多孔薄膜平铺于所述涂覆板材的涂覆面上，得到平铺板材；将所述平铺板材烘干，得到烘干板材；

9、s03、将第二树脂涂覆于所述烘干板材的膨胀多孔薄膜面上，进行一次烘干后再进行二次烘干，得到图案化质子交换膜；所述涂覆的高度为10μm～240μm。

10、作为优选的实施方式，步骤s01中，

11、所述第一树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、短侧支链全氟磺酸、聚偏二氟乙烯、苯并噁嗪、液晶树脂、沥青、聚苯硫醚、聚醚醚酮、环氧树脂和聚醚砜中的一种或至少两种的混合物，优选为短侧支链全氟磺酸。

12、所述板材为塑料、不锈钢、亚克力、玻璃、ptfe、peek或陶瓷中的一种或至少两种的混合物。

13、所述图案为沟壑型图案、螺旋型图案或点阵型图案中的至少一种。

14、所述图案通过激光雕刻、数铣或3d打印处理得到。

15、所述涂覆的高度优选为180μm。

16、作为优选的实施方式，步骤s02中，

17、所述膨胀多孔薄膜为膨胀多孔聚四氟乙烯、膨胀多孔聚苯并咪唑、膨胀多孔聚乙烯、膨胀多孔聚苯乙烯、人造石墨或膨胀多孔聚乙烯亚胺中的一种或至少两种的混合物。

18、所述膨胀多孔薄膜通过边框固定抻开实现平铺；所述边框为塑料边框、不锈钢边框、亚克力边框或玻璃边框。

19、所述烘干的温度为40℃～80℃，优选为50℃～70℃；所述烘干的时间为5min～60min，优选为10min～40min。

20、所述烘干通过鼓风干燥箱实现。

21、作为优选的实施方式，步骤s03中，

22、所述第二树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、短侧支链全氟磺酸、聚偏二氟乙烯、苯并噁嗪、液晶树脂、沥青、聚苯硫醚、聚醚醚酮、环氧树脂和聚醚砜中的一种或至少两种的混合物，优选为短侧支链全氟磺酸。

23、所述一次烘干的温度为40℃～80℃，优选为50℃～70℃；所述一次烘干的时间为5min～60min，优选为10min～40min。

24、所述二次烘干的温度为100℃～200℃，优选为110℃～190℃；所述二次烘干的时间为30min～300min，优选为60min～240min。

25、所述一次烘干和所述二次烘干通过鼓风干燥箱实现。

26、所述涂覆的高度优选为180μm。

27、再一方面，本发明实施例还提供所述图案化质子交换膜的应用，所述图案化质子交换膜应用于燃料电池中。

28、相对于现有技术，本申请方案具有如下技术效果：本申请通过在质子膜的表面设置图案，可以将质子膜表面由二维平面构建形成三维立体结构，能够大大增加催化层和质子膜之间的接触面积，从而有效改善界面结构，形成更多有效的三相界面，推动不同组件之间的高效传质，进而提高燃料电池的性能。本申请的图案化质子交换膜具有良好的稳定性和优异的力学性能及电化学性能，应用于燃料电池中能有效改善膜电极中的传质问题，并显著提高燃料电池的极化性能。本申请的制备方法简单易行、操作方便、成本较低、制备时间短，易于实现大规模的工业化生产。

技术特征：

1.一种图案化质子交换膜，其特征在于，包括膜本体，所述膜本体靠近催化层的侧面上均匀设置有若干图案，所述催化层与所述图案相适配设置；所述图案的深度为0.5μm～100μm；所述图案的表面涂覆有树脂。

2.根据权利要求1所述的图案化质子交换膜，其特征在于，所述图案为沟壑型图案、螺旋型图案或点阵型图案中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的图案化质子交换膜，其特征在于，当所述图案为沟壑型图案时，所述沟壑型图案的深度为0.5μm～100μm、宽度为0.5μm～100μm；相邻所述沟壑型图案的间距为0.5μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的图案化质子交换膜，其特征在于，所述膜本体为膨胀多孔膜。

5.权利要求1至4任一项所述的图案化质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的所述的图案化质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s01中，

7.根据权利要求5所述的所述的图案化质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s02中，

8.根据权利要求5所述的所述的图案化质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s03中，

9.根据权利要求5所述的所述的图案化质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤s03中，

10.权利要求1至4任一项所述的图案化质子交换膜的应用，其特征在于，所述图案化质子交换膜应用于燃料电池中。

技术总结本发明提供一种图案化质子交换膜，包括膜本体，所述膜本体靠近催化层的侧面上均匀设置有若干图案，所述催化层与所述图案相适配设置；所述图案的深度为0.5μm～100μm；所述图案的表面涂覆有树脂。本申请还提供所述图案化质子交换膜的制备方法以及应用。本申请通过在质子膜的表面设置图案，可以将质子膜表面由二维平面构建形成三维立体结构，能够大大增加催化层和质子膜之间的接触面积，从而有效改善界面结构，形成更多有效的三相界面，推动不同组件之间的高效传质，进而提高燃料电池的性能。本申请的制备方法简单易行、操作方便、成本较低、制备时间短，易于实现大规模的工业化生产。技术研发人员：李金阳,张震受保护的技术使用者：深圳市雄韬电源科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17