[发明专利]一种燃料电池用复合质子交换膜的微真空喷涂成型工艺

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池用复合质子交换膜的制备方法，尤其涉及喷涂法制备复合质子交换膜技术。

背景技术

目前在质子交换膜燃料电池领域应用最广泛的质子交换膜是Dupont公司的Nafion膜，这种膜可以基本满足燃料电池的功能需要。但是随着燃料电池技术水平的发展，Nafion膜在汽车的动态工况中存在着尺寸稳定性差、使用寿命低以及价格昂贵等不足之处，这对燃料电池技术的发展产生了制约作用。目前各国的燃料电池研究机构都在积极地研发新型的质子交换膜产品以满足燃料电池技术发展的需求。

增强型复合质子交换膜是利用多孔或纤维材料与离子交换树脂结合制成复合膜，在这里多孔或纤维材料起到增强的作用，离子交换树脂连续相形成质子传递通道，这样既可以节省材料，降低成本，还可以提高膜的机械强度和尺寸稳定性，更重要的是由此可以降低膜的厚度，减小电池内阻，提高电池效率。

美国戈尔公司以膨体聚四氟乙烯微孔薄膜为基体与全氟磺酸树脂复合得到了GORE系列复合质子交换膜，并在燃料电池上得到了成功的应用，证明复合膜可以适应燃料电池的需要。他们采用的是多次刷涂、复合的方法，此生产工艺复杂、控制较难。中科院化物所和武汉理工大学分别在专利CN 1416186A和CN1697224提出浸渍法生产复合膜的方法，但是仅适用于小量的实验性制备，不利于大规模的批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用喷涂技术制备复合质子交换膜的方法，克服现有制备技术中对复合膜均匀性和厚度难以控制、成型工艺难以放大的难题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种燃料电池用复合质子交换膜的微真空喷涂成型工艺，包括在膨体聚四氟乙烯微孔基膜上附着全氟磺酸树脂工艺，其特征在于所述的在膨体聚四氟乙烯微孔基膜上附着全氟磺酸树脂工艺包括复合膜喷涂工艺和复合膜热定型工艺，所述的复合膜喷涂工艺是：

1)配制全氟磺酸树脂喷涂溶液：将全氟磺酸树脂溶解到有机醇溶剂中，制成1.0wt％～10.0wt％的溶液，并加入高沸点有机溶剂，高沸点有机溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶1～8∶1；

2)将膨体聚四氟乙烯微孔基膜固定在钢性框上，将钢性框置于加热平台上，用真空泵对钢性框上基膜下方的空间抽微真空；

3)向膨体聚四氟乙烯微孔基膜向上的面喷按涂步骤1配置的全氟磺酸树脂溶液，当溶液喷涂于基膜上时，保持钢性框上基膜下方空间的真空度；

4)当单面喷涂量达到预定要求时，停止真空泵，将钢性框翻转；

5)将步骤1配置的全氟磺酸树脂溶液喷涂到膨体聚四氟乙烯微孔基膜另一面上，至预期的喷涂量；

所述的将复合膜热定型的工艺过程如下：

6)将步骤5制好的复合膜放入烘箱中在120℃～200℃下干燥定型1～6小时。

本发明所述的一种燃料电池用复合质子交换膜的微真空喷涂成型工艺，其特征在于所述的加热平台上设有贯通平台上平面的微孔，微孔在加热平台上的另一端口与真空泵连通。

本发明所述的一种燃料电池用复合质子交换膜的微真空喷涂成型工艺，其特征在于所述的配制全氟磺酸树脂喷涂溶液的有机醇溶剂是甲醇、乙醇、正丙醇、丁醇中的任意一种或几种的混合物；高沸点溶剂为N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜，1-甲基-2-吡咯烷酮中的任意一种或几种的混合物。

本发明所述的一种燃料电池用复合质子交换膜的微真空喷涂成型工艺，其特征在于所述的热平台的温度在60℃～130℃之间。

本发明所述的一种燃料电池用复合质子交换膜的微真空喷涂成型工艺，其特征在于所述的热平台上钢性框上基膜下方的空间抽成微真空环境的真空度在-0.001～-0.08MPa之间。

本发明所述的一种燃料电池用复合质子交换膜的成型工艺，其特征在于所述的膨体聚四氟乙烯微孔基膜的孔径为0.05μm～1.0μm，孔隙率大于80％，厚度5～40μm。

本发明的复合膜喷涂工艺中，当溶液喷涂于基膜上时，加热平台上钢性框上基膜下方的空间抽取成微真空环境的工艺过程是使喷涂到基膜上的全氟磺酸树脂喷涂溶液能更充分的浸入基膜内部孔隙，将内部孔隙完全封闭；然后再将全氟磺酸树脂喷涂至所需的量。

本发明具有如下优点：

(1)工艺路线简单，便于实现大规模化生产。

(2)膨体聚四氟乙烯微孔薄膜在喷涂过程中的形态变化容易控制。