[發明專利]一種ePTFE增強型質子交換膜成型方法

在審

• 申請號: 201811452921.6
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111261915A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 王素力;馬文佳;孫公權;李煥巧
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/1069
• 分類號: H01M8/1069;H01M8/1018;H01M8/1086
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種ePTFE增強型質子交換膜的成型方法，涉及膜材料制備領域。采用電沉積法制備ePTFE增強膜，通過控制電流或電壓，配合溶液組分、電極在溶液中的浸潤面積、電極距離和沉積時間調變，制備不同厚度的ePTFE增強膜。克服傳統ePTFE增強膜制備工藝的不足，能夠實現高效、快速成膜。

技術領域

本發明涉及燃料電池用質子交換膜的制備方法，特別是一種具有多孔網絡材料作為支撐結構的質子交換膜，涉及膜材料制備領域。

背景技術

燃料電池是一種將化學能轉化為電能的電化學轉換裝置，是21世紀最有競爭力的發電技術之一。質子交換膜燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，所以被發展應用在運輸動力型、現場型與便攜式等機組。

超薄質子交換膜的應用使用一定程度上降低了歐姆極化，促進了燃料電池的發展，然而薄膜穩定性差、壽命短、燃料滲透率高等問題制約了超薄質子交換膜在燃料電池中的應用。目前，ePTFE(膨體聚四氟乙烯)增強質子交換膜可以解決超薄質子交換膜存在的上述問題，降低的薄膜溶脹率，提高薄膜強度，延長薄膜壽命。ePTFE增強膜的制備方法包括層壓法，浸漬法和噴涂法。

層壓法是將熔融擠出流延法制得的陽離子交換膜熱壓到多孔支撐層上，再通過涂布、浸漬或噴涂等工藝向ePTFE材料內部填充陽離子交換樹脂，因此該工藝對工藝條件和成膜設備要求很高，且僅適合熱塑性陽離子聚合物。噴涂法需要在ePTFE材料兩側反復多次噴涂陽離子交換樹脂溶液，成膜效率低；浸漬法受重力影響全氟磺酸溶液堆積在膜的低點，制備的復合膜通常存在厚度不均的問題，且為獲得理想的厚度需要經過反復浸漬。

發明內容

本發明目的在于克服傳統ePTFE增強膜制備工藝的不足，采用電沉積法制備ePTFE增強膜，通過控制電流或電壓，配合溶液組分、電極在溶液中的浸潤面積、電極距離和沉積時間調變，制備不同厚度的ePTFE增強膜。

一種ePTFE增強型質子交換膜的成型方法，

1)配置陽離子交換樹脂溶液；

2)用ePTFE膜將板狀工作電極與板狀對電極相對的表面包裹上；

3)將工作電極和對電極垂直放入陽離子交換樹脂溶液中，板面平行相對或相向放置，進行電沉積，于板狀工作電極表面得一含少量溶劑的ePTFE增強型質子交換膜。該方法能夠實現在浸漬于陽離子交換樹脂溶液的電極表面原位成膜；

4)將所得ePTFE增強型質子交換膜從工作電極上剝離，烘干。。該方法僅需蒸發少量的溶劑獲得干膜，與溶液澆鑄流延成膜工藝、浸漬工藝和噴涂工藝相比，大大減少了揮發溶劑的回收成本；

5)將步驟4)中剝離得到的膜置于0.01-2M酸溶液中浸泡處理24小時以上，再利用水浸泡并超聲處理1小時以上，重復上述酸、水處理過程2-5次；并將處理后的膜烘干，獲得ePTFE增強型質子交換膜。

所述陽離子交換樹脂為全氟磺酸樹脂、全氟磺酰亞胺磺酸樹脂、部分含氟磺酸樹脂、部分含氟磺酰亞胺磺酸樹脂、磺化聚芳醚酮、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亞胺、磺化聚苯乙烯、磺化聚苯醚中的一種或二種以上，陽離子交換樹脂溶液的質量固含量為1-25％(優選5-15％)。本發明可以對成本高的Nafion系列膜進行回收利用，首先將Nafion系列膜溶解，再利用電沉積方法成膜，從而降低成本。

所述陽離子交換樹脂溶液的質量固含量優選為5-15％。

所述陽離子交換樹脂溶液采用的溶劑為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、乙二醇、N、N-二甲基甲酰胺、N、N-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、N-甲基吡咯烷酮、環丁砜中的一種或二種以上。

所述板狀工作電極和板狀對電極為表面平整，厚度均勻的金屬板、導電玻璃、石墨板、碳紙中的一種或兩種。