TWI409983B - 質子交換膜及其製作方法以及包括質子交換膜的燃料電池 - Google Patents

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Description

質子交換膜及其製作方法以及包括質子交換膜的燃料電池
本發明是有關於一種三明治結構之質子交換膜及其製作方法，以及包括此質子交換膜的燃料電池。
燃料電池(Fuel Cell,FC)是一種利用化學能直接轉換為電能的發電裝置。與傳統發電方式比較之下，燃料電池具有低污染、低噪音、高能量密度以及較高的能量轉換效率等優點，是極具未來前瞻性的乾淨能源。各類燃料電池依其運作原理及操作環境之不同而有不同的應用市場，在可移動式能源上之應用主要是以氫氣質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane fuel Cell,PEMFC)及直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)為主，兩者皆屬於使用質子交換膜進行質子傳導機制之低溫啟動型燃料電池。
以直接甲醇燃料電池為例，直接甲醇燃料電池的燃料電池模組包括質子交換膜(proton exchange membrance)及分別設置於質子交換膜兩側的陰極(cathode)與陽極(anode)。通入陽極之燃料(甲醇)會藉由觸媒產生化學反應而生成氫離子與電子，其中氫離子會穿過質子交換膜而通往陰極，而電子則會經由電路通往陰極。接著，氫離子與電子藉由觸媒與陰極之氧氣產生化學反應而生成水。此時，燃料電池會因電子的流動而形成可利用之電流。
其中，質子交換膜的目的為傳遞質子及阻隔陰陽極的反應物(如甲醇及氧氣)。然而，發現隨著質子傳導率的增加，甲醇穿透率也隨之提高，而甲醇滲透問題會造成電池的效能降低。因此，需要一種既可以保持高質子導電率又能降低甲醇穿透率的質子交換膜，以有效提升電池的效能。
有鑑於此，本發明提供一種質子交換膜，一方面可以保持高質子導電率另一方面可以降低甲醇穿透率，以有效提升電池的效能。
本發明另提供一種質子交換膜的製作方法，利用雙成分靜電紡絲技術、交聯磺酸化及熱壓技術製作上述之質子交換膜。
本發明又提供一種燃料電池，其包括上述之質子交換膜，因此可以有效提升電池的效能。
本發明提供一種質子交換膜，包括第一纖維外層、第二纖維外層以及內層。內層夾於第一纖維外層以及第二纖維外層之間，其中內層包括多個纖維質子通道以及填滿纖維質子通道之間的空隙的填充材料。
在本發明之一實施例中，上述內層包括20～80 wt%的多個親水性之纖維質子通道、20~80 wt%的多個疏水性之填充材料以及1～10 wt%的交聯劑。
在本發明之一實施例中，上述親水性之纖維質子通道是由多個磺酸化彼此堆疊的纖維所構成，這些纖維包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated poly(vinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
在本發明之一實施例中，上述疏水性之填充材料包括聚乙烯-接枝-順丁烯二酸酐(polyethylene-graft-maleic anhydride,PE-g-MA)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚己內酯(Polycaprolactone,PCL)或聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride),PVDF)。
在本發明之一實施例中，上述交聯劑包括磺酸化丁二酸(SSA)。
在本發明之一實施例中，上述第一纖維外層及第二纖維外層各自包括多個纖維質子通道。
本發明之實施例中，上述第一纖維外層以及第二纖維外層各自包括100 wt%的多個親水性之纖維質子通道以及1~10 wt%的交聯劑。
在本發明之一實施例中，上述第一纖維外層以及第二纖維外層之親水性之纖維質子通道各自由多個彼此堆疊的纖維所構成，這些纖維包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
在本發明之一實施例中，上述交聯劑包括磺酸化丁二酸(SSA)。
在本發明之一實施例中，上述內層之填充材料進一步擴散至部分的第一纖維外層以及部分的第二纖維外層。
本發明另提供一種質子交換膜的製作方法。首先，提供第一電紡絲裝置以及第二電紡絲裝置。然後，啟動第一電紡絲裝置進行第一紡絲程序，以形成第一纖維外層，其中第一纖維外層是由多條第一纖維所構成。接著，同時啟動第一電紡絲裝置與第二電紡絲裝置進行第二紡絲程序，以於第一纖維外層上形成內層，其中內層是由多條第二纖維以及散佈於第二纖維之間的空隙的填充顆粒所構成。之後，啟動第一電紡絲裝置進行第三紡絲程序，以於內層上形成第二纖維外層，以形成堆疊層，其中第二纖維外層是由多條第三纖維所構成。繼之，對堆疊層進行交聯磺酸化反應，以將第一纖維外層、內層、第二纖維外層之第一、第二、第三纖維交聯成多個連續質子通道。然後，對堆疊層進行熱壓合程序，以使內層之填充顆粒熱融化而填滿內層之質子通道之間的空隙。
在本發明之一實施例中，上述第一電紡絲裝置中填裝親水性高分子溶液，且第二電紡絲裝置中填裝疏水性高分子溶液。
在本發明之一實施例中，上述親水性高分子溶液包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
在本發明之一實施例中，上述疏水性高分子溶液包括聚乙烯-接枝-順丁烯二酸酐(PE-g-MA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚己內酯(PCL)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。
在本發明之一實施例中，上述交聯磺酸化反應包括進行交聯劑含浸程序；以及進行加熱及熱壓程序。
在本發明之一實施例中，上述交聯劑含浸程序是使用1～10wt%的磺酸化丁二酸(SSA)。
在本發明之一實施例中，上述熱壓合程序的溫度為攝氏60~180度，壓力為30~100kg/cm2 。
在本發明之一實施例中，上述熱壓合程序更進一步使熱融化的填充顆粒熱擴散至部分的第二纖維外層中以及部分的第一纖維外層中。
本發明又提供一種燃料電池，包括陽極電極、陰極電極、第一氣體擴散層、第二氣體擴散層、第一觸媒層、第二觸媒層以及質子交換膜。第一氣體擴散層以及第二氣體擴散層位於陽極電極與陰極電極之間。第一觸媒層以及第二觸媒層位於第一氣體擴散層以及第二氣體擴散層之間。質子交換膜位於第一觸媒層以及第二觸媒層之間，其中質子交換膜如前述。
基於上述，在本發明之三明治結構的質子交換膜中，第一纖維外層、第二纖維外層為100%奈米纖維離子通道，扮演質子傳遞與增加觸媒接觸的角色；內層為20~80%的奈米纖維離子通道(負責傳遞質子)與均勻包覆並填塞在纖維網間空隙的疏水材料(功能在於阻隔燃料穿透、增加膜材機械強度與穩定質子通道尺寸安定性)。因此，本發明之質子交換膜一方面可以保持高質子導電率另一方面可以降低甲醇穿透率，以有效提升電池的效能。亦提出上述質子交換膜的製作方法以及包括上述質子交換膜之燃料電池。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為依據本發明一實施例所繪示之質子交換膜的剖面示意圖。請參照圖1，質子交換膜100包括第一纖維外層110、第二纖維外層130及內層120。
第一纖維外層110以及第二纖維外層130各自包括多個纖維質子通道。第一纖維外層110以及第二纖維外層130各自包括100 wt%的多個親水性之纖維質子通道以及1~10 wt%的交聯劑。詳而言之，第一纖維外層110以及第二纖維外層130之親水性之纖維質子通道各自由多個彼此堆疊的纖維所構成，這些纖維的材料包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。交聯劑包括磺酸化丁二酸(SSA)。在一實施例中，第一纖維外層110以及第二纖維外層130的材料例如是100 wt%的EVOH及1～10wt%的交聯劑(未繪示)。
內層120夾於第一纖維外層110以及第二纖維外層130之間，其中內層120包括多個質子通道102以及填滿質子通道102之間的空隙的填充材料104。詳而言之，內層120包括20～80 wt%的多個親水性質子通道102、20~80 wt%的多個疏水性之填充材料104以及1～10wt%的交聯劑(未繪示)。
親水性質子通道102是由多個彼此堆疊的纖維所構成，這些纖維的材料包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
特別要說明的是，內層120之質子通道102的材料和第一纖維外層110、第二纖維外層130的材料可以相同或不同。在一實施例中，內層120之質子通道102的材料和第一纖維外層110、第二纖維外層130的材料相同，例如均是EVOH。
疏水性之填充材料104均勻包覆並填塞在親水性質子通道102之間的空隙。疏水性之填充材料104包括聚乙烯-接枝-順丁烯二酸酐(polyethylene-graft-maleic anhydride,PE-g-MA)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚己內酯(Polycaprolactone,PCL)或聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride),PVDF)。在一實施例中，疏水性之填充材料104例如是PE-g-MA。此外，在一實施例中，疏水性之填充材料104可以僅配置於內層120中，如圖1所示。在另一實施例中，疏水性之填充材料104也可以進一步擴散至部分的第一纖維外層110以及部分的第二纖維外層130，如圖2所示。
交聯劑包括磺酸化丁二酸(SSA)。
上述質子交換膜100的整體厚度範圍為20~150μm，較佳膜厚例如為40+/-0.5μm。另外，於第一纖維外層110以及第二纖維外層130的厚度範圍分別為10~50μm，內層120的厚度範圍為10~50μm。
在本發明之質子交換膜100中，第一纖維外層110、第二纖維外層130的作用為傳遞質子與增加觸媒接觸；內層120之質子通道102和第一纖維外層110、第二纖維外層130的作用相同，均為負責傳遞質子，而內層120之填滿質子通道102之間的空隙的填充材料104的作用為阻隔燃料(如甲醇及氧氣)穿透、增加膜材機械強度與穩定質子通道尺寸安定性。上述的纖維均為奈米纖維，纖維直徑範圍10nm~900nm之間。因此，本發明之質子交換膜100可以保持高質子導電率又能降低甲醇穿透率，以有效提升電池的效能。
以下，將詳細說明上述質子交換膜的製作方法。圖3為依據本發明一實施例所繪示之質子交換膜的製作方法的方塊流程圖。圖4A至4C為依據本發明一實施例所繪示之質子交換膜的製作方法的剖面示意圖，其中使用與圖1、圖2相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖3，首先，進行步驟200，提供第一電紡絲裝置以及第二電紡絲裝置。第一電紡絲裝置中填裝親水性高分子溶液。親水性高分子溶液包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。在一實施例中，第一電紡絲裝置中例如是填裝8%的EVOH高分子溶液(其溶劑例如是採用異丙醇及水)。第二電紡絲裝置中填裝疏水性高分子溶液。疏水性高分子溶液包括聚乙烯-接枝-順丁烯二酸酐(PE-g-MA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚己內酯(PCL)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。在一實施例中，第二電紡絲裝置中例如是填裝1%的PE-g-MA高分子溶液(其溶劑例如是採用對二甲苯)。
然後，請參照圖3及圖4A，進行步驟202，啟動第一電紡絲裝置進行第一紡絲程序，以形成第一纖維外層110'，其中第一纖維外層110'是由多條第一纖維所構成。
接著，進行步驟204，同時啟動第一電紡絲裝置與第二電紡絲裝置進行第二紡絲程序，以於第一纖維外層110上形成內層120'，其中內層120'是由多條第二纖維102'以及散佈於第二纖維102'之間的空隙的填充顆粒104'所構成。
之後，進行步驟206，啟動第一電紡絲裝置進行第三紡絲程序，以於內層120'上形成第二纖維外層130'，以形成堆疊層100'，其中第二纖維外層130'是由多條第三纖維所構成。
步驟200至步驟206合稱雙成分靜電紡絲技術。在一實施例中，EVOH形成第一纖維外層110'及第二纖維外層130'，而EVOH與PE-g-MA交互穿插成第二纖維102'及顆粒104'之複合網，如圖4A的內層120'所示。
繼之，請參照圖3及圖4B，進行步驟208，對堆疊層100'進行交聯磺酸化反應106，以將第一纖維外層110'、第二纖維外層130'之第一、第三纖維進行交聯化以形成第一纖維外層110及第二纖維外層130，以及將內層120'之第二纖維102'交聯成多個質子通道102。注意，第一纖維外層110之質子通道、第二纖維外層130之質子通道與內層120'之質子通道102形成多個連續質子通道。交聯磺酸化反應106包括進行交聯劑含浸程序，以及進行加熱及熱壓程序。交聯劑含浸程序是使用1～10wt%的磺酸化丁二酸(SSA)。特別要注意的是，若交聯劑的濃度過高，交聯完成之薄膜容易脆裂，因此交聯劑的濃度不宜超過10wt%，較佳範圍為1~5 wt%，更佳範圍為小於3 wt%。加熱程序的溫度為攝氏60~180度，例如為120度。加熱及熱壓程序的時間為1~30分鐘，壓力為30~100kg/cm2 ，也可以短時間多次的交聯製程進行之。在一實施例中，在加熱的同時，EVOH纖維102'與交聯劑SSA進行交聯磺酸化反應，以形成EVOH奈米級的質子通道102。
然後，請參照圖3及圖4C，進行步驟210，對堆疊層100'進行熱壓合程序108，以使內層120'之填充顆粒104'熱融化為填充材料104而填滿內層120'之質子通道102之間的空隙，以形成內層120。熱壓合程序108的溫度為攝氏60~180度，例如為150度。熱壓合程序108的壓力為30~100kg/cm2 。熱壓合程序108的次數可以為一或多次。在一實施例中，利用熱壓技術融掉PE-g-MA顆粒104'，以均勻充填並緻密化EVOH質子通道102之間的空隙。至此，完成質子交換膜100的製作。
在一實施例中，熱壓合程序108的溫度控制得宜，使熱融化的填充顆粒104'(即填充材料104)僅擴散於內層120中，如圖4C所示。在另一實施例中(未繪示)，熱壓合程序108更進一步使熱融化的填充顆粒104'(即填充材料104)熱擴散至部分的第二纖維外層130中以及部分的第一纖維外層110中。
以下，將列舉多個實例來證明本發明的功效。
實驗組為本發明之三明治結構的質子交換膜，其中EVOH形成第一纖維外層及第二纖維外層，而內層包括多個EVOH質子通道以及填滿EVOH質子通道之間的空隙的PE-g-MA填充材料。
對照組一為單層質子交換膜，其材質為EVOH形成的纖維層與PE-g-MA充填材料充填於纖維表面與纖維之間間的孔洞，且經SSA交聯磺酸化而形成的膜。
對照組二亦為單層質子交換膜，其為EVOH經SSA交聯磺酸化而形成的膜。
對照組三為杜邦的Nafion117質子交換膜。
表1為實驗組與對照組之質子交換膜的分析結果，其中「選擇性」為質子導電率對甲醇滲透率的比值。
請參照表1，比較實驗組及對照組一，得知本發明之三明治結構的質子交換膜之必要性，本發明之纖維外層設計可以質子交換膜的外層保有傳遞質子的功用，而得到好的質子導電率。比較實驗組及對照組二，得知本發明之三明治結構的質子交換膜較無阻隔材料的單層的質子交換膜具有較低的甲醇滲透率。另外，比較實驗組及對照組三，雖然杜邦之Nafion117質子交換膜的質子導電率略高於本發明之質子交換膜，但在其甲醇滲透率遠高於本發明之質子交換膜的情況下，本發明之質子交換膜較杜邦之Nafion117質子交換膜具有較佳的選擇性。此外，本發明之質子交換膜的厚度遠低於杜邦之Nafion117質子交換膜的厚度，因此可以大幅降低燃料電池的體積，提昇競爭力。
接下來，將介紹包含上述質子交換膜的燃料電池。圖5為依據本發明一實施例所繪示之燃料電池的剖面示意圖。
請參照圖5，燃料電池300包括陽極電極302、陰極電極304、第一氣體擴散層306、第二氣體擴散層308、第一觸媒層310、第二觸媒層312以及質子交換膜314。第一氣體擴散層306以及第二氣體擴散層308位於陽極電極302與陰極電極304之間。第一觸媒層310以及第二觸媒層312位於第一氣體擴散層306以及第二氣體擴散層308之間。質子交換膜314位於第一觸媒層310以及第二觸媒層312之間，其中質子交換膜314如前述之質子交換膜100或100A，故於此不再贅述。另外，陽極電極302、陰極電極304、第一氣體擴散層306、第二氣體擴散層308、第一觸媒層310及第二觸媒層312等構件均為本領域具有通常知識者所熟知，其材料及形成方法於此不再贅述。
綜上所述，在本發明之三明治結構的質子交換膜中，第一纖維外層、第二纖維外層及內層之質子通道均作為傳遞質子之用，所以可以保持高質子導電率。另一方面，內層之填滿質子通道之間的空隙的填充材料除了可以降低甲醇穿透率，也可以增加膜材機械強度與穩定質子通道尺寸安定性。因此，包括上述之質子交換膜的燃料電池可以有效提升電池的效能。此外，本發明之質子交換膜的製作方法利用雙成分靜電紡絲技術、交聯磺酸化及熱壓技術製作上述之質子交換膜，製程簡單且極具競爭性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、100A、314‧‧‧質子交換膜
100'‧‧‧堆疊層
110、110'‧‧‧第一纖維外層
120、120'‧‧‧內層
130、130'‧‧‧第二纖維外層
102‧‧‧質子通道
102'‧‧‧第二纖維
104‧‧‧填充材料
104'‧‧‧填充顆粒
106‧‧‧交聯磺酸化反應
108‧‧‧熱壓合程序
200~210‧‧‧步驟
300‧‧‧燃料電池
302‧‧‧陽極電極
304‧‧‧陰極電極
306‧‧‧第一氣體擴散層
308‧‧‧第二氣體擴散層
310‧‧‧第一觸媒層
312‧‧‧第二觸媒層
圖1為依據本發明一實施例所繪示之質子交換膜的示意圖。
圖2為依據本發明另一實施例所繪示之質子交換膜的剖面示意圖。
圖3為依據本發明一實施例所繪示之質子交換膜的製作方法的方塊流程圖。
圖4A至4C為依據本發明一實施例所繪示之質子交換膜的製作方法的剖面示意圖。
圖5為依據本發明一實施例所繪示之燃料電池的剖面示意圖。
表1為實驗組與對照組之質子交換膜的分析結果。
100．．．質子交換膜
102．．．質子通道
104．．．填充材料
110．．．第一纖維外層
120．．．內層
130．．．第二纖維外層

Claims (19)

  1. 一種質子交換膜，包括：一第一纖維外層；一第二纖維外層；以及一內層，夾於該第一纖維外層以及該第二纖維外層之間，其中該內層包括多個纖維質子通道以及填滿該些纖維質子通道之間的空隙的一填充材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之質子交換膜，其中該內層包括：20~80 wt%的多個親水性之纖維質子通道；20~80 wt%的多個疏水性之填充材料；以及1~10 wt%的一交聯劑。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之質子交換膜，其中該些親水性之纖維質子通道是由多個彼此堆疊的纖維所構成，該些纖維包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之質子交換膜，其中該些疏水性之填充材料包括聚乙烯-接枝-順丁烯二酸酐(polyethylene-graft-maleic anhydride,PE-g-MA)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚己內酯 (Polycaprolactone,PCL)或聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride),PVDF)。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之質子交換膜，其中該交聯劑包括磺酸化丁二酸(SSA)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之質子交換膜，其中第一纖維外層及第二纖維外層各自包括多個纖維質子通道。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之質子交換膜，其中該第一纖維外層以及該第二纖維外層各自包括：100wt%的多個親水性之纖維質子通道；以及一交聯劑，其中以100wt%的該些親水性之纖維質子通道計，該交聯劑佔1~10wt%。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之質子交換膜，其中該第一纖維外層以及該第二纖維外層之該些親水性之纖維質子通道各自由多個彼此堆疊的纖維所構成，該些纖維包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene),EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、磺酸化PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之質子交換膜，其中該交聯劑包括磺酸化丁二酸(SSA)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之質子交換膜，其中該內層之該填充材料進一步擴散至部分的該第一纖維外層以 及部分的該第二纖維外層。
  11. 一種質子交換膜的製作方法，包括：提供一第一電紡絲裝置以及一第二電紡絲裝置；啟動該第一電紡絲裝置進行一第一紡絲程序，以形成一第一纖維外層，其中該第一纖維外層是由多條第一纖維所構成；同時啟動該第一電紡絲裝置與該第二電紡絲裝置進行一第二紡絲程序，以於該第一纖維外層上形成一內層，其中該內層是由多條第二纖維以及散佈於該些第二纖維之間的空隙的一填充顆粒所構成；啟動該第一電紡絲裝置進行一第三紡絲程序，以於該內層上形成一第二纖維外層，以形成一堆疊層，其中該第二纖維外層是由多條第三纖維所構成；對該堆疊層進行一交聯磺酸化反應，以將該第一纖維外層、該內層、該第二纖維外層之該些第一、第二、第三纖維交聯成多個連續質子通道；以及對該堆疊層進行一熱壓合程序，以使該內層之該些填充顆粒熱融化而填滿該內層之該些質子通道之間的空隙。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之質子交換膜的製作方法，其中該第一電紡絲裝置中填裝一親水性高分子溶液，且該第二電紡絲裝置中填裝一疏水性高分子溶液。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之質子交換膜的製作方法，其中該親水性高分子溶液包括磺酸化乙烯基醇-乙烯基共聚合物(sulfonated poly(vinyl alcohol-co-ethylene), EVOH)、磺酸化聚乙烯醇(sulfonated polyvinyl alcohol,PVA)、PVA/Nafion混合物、磺酸化聚苯並咪唑(sulfonated polybenzimidazole,SPBI)、磺酸化聚醚醚酮(sulfonated polyether ether ketone,SPEEK)或其組合。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之質子交換膜的製作方法，其中該疏水性高分子溶液包括聚乙烯-接枝-順丁烯二酸酐(polyethylene-graft-maleic anhydride,PE-g-MA)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚己內酯(Polycaprolactone,PCL)或聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride),PVDF)。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之質子交換膜的製作方法，其中該交聯磺酸化反應包括：進行一交聯劑含浸程序；以及進行一加熱及熱壓程序。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之質子交換膜的製作方法，其中該交聯劑含浸程序是使用1~10wt%的磺酸化丁二酸(SSA)。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之質子交換膜的製作方法，其中該熱壓合程序的溫度為攝氏60~180度，壓力為30~100 kg/cm2 。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之質子交換膜的製作方法，其中該熱壓合程序更進一步使熱融化的該些填充顆粒熱擴散至部分的該第二纖維外層中以及部分的該第一纖維外層中。
  19. 一種燃料電池，包括：一陽極電極與一陰極電極；一第一氣體擴散層以及一第二氣體擴散層，位於該陽極電極與該陰極電極之間；一第一觸媒層以及一第二觸媒層，位於該第一氣體擴散層以及該第二氣體擴散層之間；一質子交換膜，位於該第一觸媒層以及該第二觸媒層之間，其中該質子交換膜如申請專利範圍第1項所述。
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