[发明专利]一种燃料电池用复合质子交换膜的成型工艺

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。

Gore & Associated公司借助其在制备PTFE多孔膜方面的优势，对适用于燃料电池的Nafion/PTFE复合膜进行了大量的研究开发，其在专利CN 1134288C、US5,547,551、US5,599,614、US RE37,307和US6,613,203中公开了制备Nafion/PTFE复合膜的方法：采用在5％全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的非离子表面活性剂(Triton X-100)来增强溶液的润湿性以促进全氟磺酸树脂溶液对PTFE多孔膜的浸入，然后用刷子将混合溶液涂敷到厚度为20～40μm的PTFE多孔膜(Gore-Tex^TM)上，于140℃处理后把复合膜浸泡在异丙醇中除去膜内TritonX-100，该复合膜是透明的，膜中的Nafion树脂完全把PTFE中的孔堵住，由此制备的Nafion/PTFE复合质子交换膜(Gore-Select^TM)除了具有优良的化学稳定性和电化学性能外，还表现出良好的机械性能，但它采用的多次涂刷工艺工序复杂，操作繁琐，不利于大规模生产。

DuPont公司在专利US5,795,668和US6,110,333中公开的Nafion/PTFE复合膜制备方法是：将PTFE多孔膜与Nafion膜采用真空热压的方法制成多层复合增强膜，很好地解决了膜的抗撕裂强度低的问题，但此膜的厚度较厚，不利于提高质子交换膜燃料电池性能。

Ballard Power Systems公司在专利US6,689,501、US6291091B1和US5,834,523中公开的Nafion/PTFE和聚α，β，β-三氟苯乙烯磺酸树脂/PE复合膜制备方法是：将铸膜液涂覆在支撑体上形成膜液层，再将多孔膜复合到膜液上，加热蒸发除去溶剂以形成透明的复合膜，也可以如此进行多次的涂覆-复合工艺，制备具有非对称多层结构的复合质子交换膜。

中国科学院大连化学物理研究所在专利CN1,416,186A中公开的Nafion/PTFE复合膜制备方法是：采用国产的PTFE多孔膜作为增强材料，通过调节制膜溶液的表面张力，利用一步静置浇铸的工艺制备出具有良好柔韧性和机械强度的Nafion/PTFE复合膜，但是复合膜的厚度难以控制。

武汉理工大学在专利CN1697224中提出了用滚压技术成型复合膜的方法，采用该方法成型的复合膜很难提高膜厚度控制精度和解决放大生产的难题。

专利WO 00/78850A1中介绍了一种新方法：在5％的Nafion溶液中加入500cm²电极中，给电极施加50伏电压，然后让孔径为1.5微米的聚四氟乙烯多孔通过二个电极之间的电场，溶液中的全氟磺酸树脂就会在电场的作用下运动，把PTFE的膜孔堵住。虽然该法能够实现PTFE多孔膜的连续化生产，但该法很难制得致密性好的复合膜。

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将聚四氟乙烯微孔基膜在全氟磺酸稀溶液中浸润、在基膜的两面喷涂全氟磺酸树脂溶液和将复合膜热定型三部分工艺过程，所述的将聚四氟乙烯微孔基膜在全氟磺酸稀溶液中浸润的工艺过程如下：