CN101667648B - 一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法 - Google Patents

一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101667648B
CN101667648B CN2009100132531A CN200910013253A CN101667648B CN 101667648 B CN101667648 B CN 101667648B CN 2009100132531 A CN2009100132531 A CN 2009100132531A CN 200910013253 A CN200910013253 A CN 200910013253A CN 101667648 B CN101667648 B CN 101667648B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solution
proton exchange
exchange membrane
silicon dioxide
alcohol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2009100132531A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101667648A (zh
Inventor
宋书范
邢丹敏
侯中军
张玉海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sunrise Power Co Ltd
Original Assignee
Sunrise Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sunrise Power Co Ltd filed Critical Sunrise Power Co Ltd
Priority to CN2009100132531A priority Critical patent/CN101667648B/zh
Publication of CN101667648A publication Critical patent/CN101667648A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101667648B publication Critical patent/CN101667648B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，包括在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的表面涂敷全氟磺酸树脂溶液，其制备方法包括：通过浸渍的方式，使全氟磺酸树脂成份和二氧化硅成份，填充到膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的微孔中，通过喷涂全氟磺酸树脂成份和二氧化硅成份的方式，控制复合质子交换的厚度。本发明的方法制备出来的复合质子交换膜具有：二氧化硅保水成份按照梯度方式分布，既保证了水分的吸收能力，又降低了复合质子交换膜的总体电阻；具有保水的功能，降低了质子交换膜燃料电池对增湿系统的依赖性，能够保证复合质子交换膜在低增湿环境下正常操作，易于实现大规模化生产；具有厚度均匀、湿态强度高、尺寸稳定性好的特点。

Description

一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用保水型质子交换膜及制备方法，具体地说采用浸渍-喷涂结合的方法制备质子交换膜的技术。
背景技术
在质子交换膜燃料电池的工作过程中，质子交换膜必须始终保持在湿润状态，来保证其良好的离子传导性。为使质子交换膜燃料电池能够正常的工作，现有技术多采用外部增湿的方式，维持质子交换膜的湿润状态，这使燃料电池的水管理系统复杂，增加了电池的运行风险，同时也降低了电池系统的效率。为解决这一技术问题，出现了保水型复合质子交换膜。保水型复合质子交换膜是利用电池内部生成水或者外部气体带入的水分，维持质子交换膜的润湿状态，保证了膜的质子传导能力，同时还可以减轻水在电极和流场中的分配负担，提高电池的运行稳定性。现有技术中关于保水型复合质子交换膜主要有以下几种制备方法：
在文献1[J.Electrochem.Soc.143(1996)3847-3852]、文献2[J.Electrochem.Soc.145(1998)1137-1140]和文献3[J.Phys.Chem.B，102(1998)3129-3137]中，日本学者Watanabe M报道了一种保水型质子交换膜的结构和制备方法，主要是在质子交换膜上中采用化学镀的方法，形成高度分散的催化剂Pt颗粒，或者采用Pt粒子、亲水性氧化物和Nafion树脂再铸成膜，化学催化从阴阳极渗透过来的气体，在膜中生成水，满足质子传导的需要。
在美国专利US patent 5,318,863和US patent 5,242,764中提到了在电极上喷涂成型质子交换膜的方法，两侧电极分别喷涂一定厚度的Nafion溶液，然后热压成MEA。由于这种方法做出来的质子交换膜很薄，电池对气体的增湿要求不高。但是存在着透气量大和使用寿命低的问题。
在中国专利CN 1224119C中，提到的了一种制备保水型复合质子交换膜的方法，该保水型质子交换膜的技术特征是：在市售全氟磺酸膜的基体上，制备具有保水功能的涂层复合层，这种具有保水功能的涂层复合层的制备方法是，先将无机物或其氧化物粉末加入到全氟磺酸膜溶液中，再涂覆到基膜的一侧或两侧。这种方法制备成的保水型质子交换膜具有一定的保水性能，但是受制于基膜，无法持续改进基膜。
在中国专利CN 1181585C中，提出了采用溶液浇铸法，在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的表面，浇铸全氟磺酸树脂溶液，溶液中含有质量比为1∶5-1∶50的高沸点溶剂和铂担量为0.01-0.2mg/cm2的碳载铂催化剂，溶液经干燥制得保水型质子交换膜。该制备方法的思路是利用质子交换膜中的碳载铂催化剂将从膜两侧渗透到膜内的氢气和氧气催化发生化学反应，生成的水对膜起到润湿作用，这种方法制备的保水型质子交换膜在氢氧电池环境下工作时，因为H2和O2的分压较大，在膜中的渗透量较大，可以生成较多的水，起到一定的增湿功能。但是对于大多数工作在氢空环境下的燃料电池系统来说，因为电极表面氧气分压较小，使渗透率大幅度降低，无法生成足够的水来润湿膜，保水型质子交换膜无法达到满意的增湿效果。
在中国专利CN 101079487A中，提出了在质子交换膜的两侧采用溶液浇铸法或喷涂方式，制备碳载铂催化剂与质子交换膜树脂自增湿复合层。自增湿复合层具有保水增湿的效果。这种方法制备的保水型质子交换膜存在着气体渗透量大的问题。
在中国专利CN 1253952C中，提到的了一种制备质子交换膜的方法，该质子交换膜的制备方法是：在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜中，先浸渍质子传导树脂与SiO2或TiO2纳米粒子的混合物形成保水质子传导层，然后再浸渍质子传导树脂和纳米Pt或纳米Pd的混合物形成自增湿质子传导层。这种方法在制备质子交换膜的过程中，由于需要多次浸渍不同组分的溶液，将会造成溶液的交叉污染，工艺的重复性难以保证，难以精确的控制厚度和保水成份上量的问题。
在中国在专利CN 100359738C中，提到的了一种制备保水型质子交换膜的方法，该质子交换膜的制备方法是：将膨体聚四氟乙烯微孔薄膜进行预处理和紧固处理，并填充无机纳米粒子和固体电解质，然后滚压成单层多孔聚合物质子交换膜，再将多层多孔聚合物质子交换膜叠成叠置件，经热压即成复层质子交换膜。这种方法制备出来的保水型质子交换膜由于受到膨体聚四氟乙烯微孔薄膜多层结构的影响，电阻将会非常大。
在中国在专利CN 100407486C中，提出将多金属氧酸盐与固体高分子电解质溶液混合，采用浇铸或喷涂的方法复合在质子交换膜的一侧或两侧，形成质子交换膜，该膜可以应用在以氢气或甲醇为燃料的燃料电池中。
发明内容
本发明的目的是提供一种保水型复合质子交换膜的制备方法，采用浸渍-喷涂结合的方法制备保水型质子交换膜，将全氟磺酸树脂成份和保水二氧化硅成份，有效的填充到膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的各个孔隙中。使用本方法制备的保水型复合质子交换膜可以减轻燃料电池对增湿系统的依赖性，简化燃料电池的系统，提高电池运行的可靠性。
本发明采用浸渍-喷涂结合的方法制备保水型复合质子交换膜，首先通过浸渍的方法，使浸渍液中的全氟磺酸树脂成份和二氧化硅成份有效地填充到膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的微孔中，保证了保水型复合质子交换膜的阻气性；通过喷涂的方式，精确控制保水型质子交换的成膜厚度。通过本发明制备出来的复合质子交换膜，二氧化硅保水成份按照梯度方式分布。
为实现上述目的，本发明提供的方法包括以下步骤：
一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，包括在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的表面涂敷全氟磺酸树脂溶液，其特征在于所述保水型质子交换膜制备方法包括以下制备步骤：
a)溶液I的配制：向质量浓度为0.1％～4.5％的全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；所述高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶1～8∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0∶1～0.15∶1；全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；所述高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
b)溶液II的配制：向质量浓度为5％～20％的全氟磺酸树脂溶液中，加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶1～8∶1，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0∶1～0.15∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入；全氟磺酸树脂的溶液溶剂体系，由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；所述高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
c)溶液III的配制：向质量浓度为5％～20％的全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为0.5∶1～10∶1，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0.01∶1～0.10∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入；全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系，由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；采用的高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
d)溶液IV的配制：向质量浓度为5％～20％的全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为0.5∶1～10∶1，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0.03∶1～0.2∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入；全氟磺酸树脂溶液溶剂体系由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；所述高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种。
e)将膨体聚四氟乙烯微孔薄膜固定在相应规格的支撑框上，固定有膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的支撑框称为膜框；然后将膜框置于步骤配制好的溶液I中，浸润10～60分钟；
f)取出浸润在步骤(a)配制好的溶液I中的膜框，除去膜框表面的溶液，再将膜框置于步骤(b)配制好的溶液II中，浸润10～60分钟；
g)取出浸润在步骤(b)配制好的溶液II中的膜框，除去膜框表面的溶液，将膜框置于60℃～150℃的热台上干燥；
h)用步骤(c)配置好的溶液III，对经过步骤a)和步骤b)浸润的膜框的两侧表面进行覆盖喷涂上料，并反复覆盖喷涂上料，直至厚度达到预定要求；
i)将经过步骤h)喷涂完成的膜框，置于60℃～150℃的热台上干燥；
j)用步骤(d)配置好的溶液IV，对经过步骤i)干燥的膜框两侧表面进行覆盖喷涂上料，并反复的覆盖喷涂上料，直至厚度达到预定要求；
k)将经过步骤j)覆盖喷涂上料的膜框放入烘箱中，在120℃～220℃下干燥，干燥时间0.5～8小时，得到完整的保水型质子交换膜。
本发明所述的燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，其特征在于所述的膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的孔径为0.05μm～1.0μm，孔隙率大于80％，薄膜厚度10～100μm。
本发明具有以下优点：
(1)通过两次不同浓度的全氟磺酸树脂溶液的浸渍，溶液中的全氟磺酸树脂成份和二氧化硅成份可以有效的对膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的微孔进行全面填充，降低了保水型质子交换膜的透气性；
(2)利用保水型质子交换膜中的二氧化硅保水成份，按照梯度方式分布，既保证了水分的吸收能力，又降低了保水型质子交换膜的总体电阻；
(3)与其它的质子交换膜成型方法相比，本方法制备出来的保水型质子交换膜的厚度可以实现精确控制，具有可重复性；
(4)通过增强基体膨体聚四氟乙烯微孔薄膜与全氟磺酸树脂复合后，可提高膜的强度和尺寸稳定性，从而提高保水型质子交换膜的使用寿命；
(5)用本方法制备的保水型复合质子交换膜，具有保水的功能，降低了质子交换膜燃料电池对增湿系统的依赖性，能够保证复合质子交换膜在低增湿环境下正常操作；
(6)用本方法制备的保水型复合质子交换膜，易于实现大规模化生产，制成的复合质子交换膜厚度均匀、强度高、尺寸稳定性好。
附图说明
本发明共有二幅附图。其中：
附图1为用实施例1制备的保水型质子交换膜组成的质子交换膜燃料电池与用NRE212膜组成的质子交换膜燃料电池，在相对湿度40％，电池温度60℃的测试条件下的电池电压-电流密度曲线和功率-电流密度曲线图。
附图2为用实施例2制备的复合膜，组装成10节的1KW质子交换膜燃料电池电堆，在相对湿度40％，电池温度50℃的测试条件下，电堆整体均匀性的电池电压-电池节数曲线图。
附图中
1、NRE212膜组成的质子交换膜燃料电池的功率-电流密度曲线。2、用实施例1制备的保水型质子交换膜组成的质子交换膜燃料电池的功率-电流密度曲线。3、NRE212膜组成的质子交换膜燃料电池的电池电压-电流密度曲线。4、用实施例1制备的保水型质子交换膜组成的质子交换膜燃料电池的电池电压-电流密度曲线。5、用实施例2制备的保水型质子交换膜组成的质子交换膜燃料电池电堆在500mA/cm2的电流密度下运行时，各单节电池的电压曲线。6、用实施例2制备的保水型质子交换膜组成的质子交换膜燃料电池电堆在800mA/cm2的电流密度下运行时，各单节电池的电压。7、用实施例2制备的保水型质子交换膜组成的质子交换膜燃料电池电堆在1000mA/cm2的电流密度下运行时，各单节电池的电压。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的技术内容和实施效果，结合实施例做以下详细说明：
实施例1
制备方法按照下述步骤进行：
a)向交换当量为1100，1％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶8的质量比例，加入二甲基亚砜，超声振荡，配制成A溶液；
b)向交换当量为1100，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶4的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.05的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成B溶液；
c)向交换当量为1100，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶1的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.05的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成C溶液；
d)向交换当量为1100，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶1的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.1的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成D溶液；
e)将聚四氟乙烯微孔薄膜绷在支撑框上，放入A溶液中浸润，浸润15分钟；
f)取出浸润在A溶液中的膜框，除去ePTFE表面的溶液，再将膜框置于步骤B中的溶液，浸润15分钟；
g)取出浸润在(b)溶液中膜框，除去ePTFE表面的溶液，将膜框置于90℃的热台上干燥。
h)将配置好的C溶液，采用手工或自动化的方式，对ePTFE的两侧进行覆盖喷涂。如此反复的喷涂上料干燥，直至保水型质子交换膜的厚度达到预定要求为止；
i)将喷涂完成的膜，置于90℃的热台上干燥；
j)将配置好的D溶液，采用手工或自动化的方式，对半成品保水型质子交换膜的两侧进行覆盖喷涂，如此反复的喷涂上料干燥，直至保水型质子交换膜的厚度达到预定要求为止；
k)将保水型质子交换膜放入烘箱中，在180℃下干燥4小时定型，得到成品保水型质子交换膜。
根据实施例1方法制备的复合膜与现在正在燃料电池领域大规模化使用的NRE212膜的物理性能对比情况如下表。
  主要性能参数   NRE212膜的数据   本专利的膜的数据
  机械强度(MPa)   32   40
  尺寸稳定性(％)   13   5
  质子电导率(S/cm2)   7   15
  透气性(ml/min.cm2)   ≤0.02   ≤0.01
从表中可以看出，利用本发明的方法制备出来的保水型质子交换膜，在机械强度、尺寸稳定性、质子电导率和透气性上全面优于NRE212膜，更加适用于质子交换膜燃料电池。
从附图1中可以看出，在低增湿测试条件下，用本发明的方法制备出的膜比NRE212膜具有更加良好的电池性能，可以在低增湿环境下正常运行。
实施例2
制备方法按照下述步骤进行：
a)向交换当量为1100，1.5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶8的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.03的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配制成A溶液；
b)向交换当量为1100，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶4的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.03的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成B溶液；
c)向交换当量为1100，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶1的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.03的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成C溶液；
d)向交换当量为1100，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶二甲基亚砜＝1∶1的质量比例，加入二甲基亚砜，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.05的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成D溶液；
e)将聚四氟乙烯微孔薄膜绷在支撑框上，放入A溶液中浸润，浸润15分钟；
f)取出浸润在A溶液中的膜框，除去ePTFE表面的溶液，再将膜框置于步骤B中的溶液，浸润15分钟；
g)取出浸润在(b)溶液中膜框，除去ePTFE表面的溶液，将膜框置于90℃的热台上干燥。
h)将配置好的C溶液，采用手工或自动化的方式，对ePTFE的两侧进行覆盖喷涂。如此反复的喷涂上料干燥，直至保水型质子交换膜的厚度达到预定要求为止；
i)将喷涂完成的膜，置于90℃的热台上干燥；
g)将配置好的D溶液，采用手工或自动化的方式，对半成品保水型质子交换膜的两侧进行覆盖喷涂，如此反复的喷涂上料干燥，直至保水型质子交换膜的厚度达到预定要求为止；
k)将保水型质子交换膜放入烘箱中，在180℃下干燥4小时定型，得到成品保水型质子交换膜。
从附图2中可以看出，用本发明的方法制备出来的保水型质子交换膜，在1KW电堆，不同的电流密度下，各单节电池电压均匀性良好。
实施例3
制备方法按照下述步骤进行：
a)向交换当量为1000，1％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶N，N-二甲基甲酰胺＝1∶8的质量比例，加入N，N-二甲基甲酰胺，超声振荡，配制成A溶液；
b)向交换当量为1000，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶N，N-二甲基甲酰胺＝1∶4的质量比例，加入N，N-二甲基甲酰胺，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.05的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成B溶液；
c)向交换当量为1000，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶N，N-二甲基甲酰胺＝1∶1的质量比例，加入N，N-二甲基甲酰胺，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.05的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成C溶液；
d)向交换当量为1000，5％质量浓度的PFSA溶液中，按照PFSA∶N，N-二甲基甲酰胺＝1∶1的质量比例，加入N，N-二甲基甲酰胺，按照PFSA∶二氧化硅＝1∶0.1的质量比例，加入硅溶胶，超声振荡，配置成D溶液；
e)将聚四氟乙烯微孔薄膜绷在支撑框上，放入A溶液中浸润，浸润15分钟；
f)取出浸润在A溶液中的膜框，除去ePTFE表面的溶液，再将膜框置于步骤B中的溶液，浸润15分钟；
g)取出浸润在(b)溶液中膜框，除去ePTFE表面的溶液，将膜框置于90℃的热台上干燥。
h)将配置好的C溶液，采用手工或自动化的方式，对ePTFE的两侧进行覆盖喷涂。如此反复的喷涂上料干燥，直至保水型质子交换膜的厚度达到预定要求为止；
i)将喷涂完成的膜，置于90℃的热台上干燥；
j)将配置好的D溶液，采用手工或自动化的方式，对半成品保水型质子交换膜的两侧进行覆盖喷涂，如此反复的喷涂上料干燥，直至保水型质子交换膜的厚度达到预定要求为止；
k)将保水型质子交换膜放入烘箱中，在180℃下干燥4小时定型，得到成品保水型质子交换膜。

Claims (2)

1.一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，包括在膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的表面涂敷全氟磺酸树脂溶液，其特征在于所述保水型质子交换膜制备方法包括以下制备步骤：
a)溶液I的配制：向质量浓度为0.1％～4.5％的全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；所述高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶1～8∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0∶1～0.15∶1；全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；所述高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
b)溶液II的配制：向质量浓度为5％～20％的全氟磺酸树脂溶液中，加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶1～8∶1，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0∶1～0.15∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入；全氟磺酸树脂的溶液溶剂体系，由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；所述高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
c)溶液III的配制：向质量浓度为5％～20％的全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为0.5∶1～10∶1，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0.01∶1～0.10∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入；全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系，由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；采用的高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
d)溶液IV的配制：向质量浓度为5％～20％的全氟磺酸树脂溶液中加入一定量的高沸点溶剂和二氧化硅，超声波震荡后待用；高沸点溶剂与全氟磺酸树脂的质量比为0.5∶1～10∶1，二氧化硅与全氟磺酸树脂的质量比为0.03∶1～0.2∶1，二氧化硅以硅溶胶或者粉末的形式加入；全氟磺酸树脂溶液溶剂体系由醇和水构成，所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂体系中的醇，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇；所述高沸点溶剂为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-吡咯烷酮中的任一种；
e)将膨体聚四氟乙烯微孔薄膜固定在相应规格的支撑框上，固定有膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的支撑框称为膜框；然后将膜框置于步骤(a)配制好的溶液I中，浸润10～60分钟；
f)取出浸润在步骤(a)配制好的溶液I中的膜框，除去膜框表面的溶液，再将膜框置于步骤(b)配制好的溶液II中，浸润10～60分钟；
g)取出浸润在步骤(b)配制好的溶液II中的膜框，除去膜框表面的溶液，将膜框置于60℃～150℃的热台上干燥；
h)用步骤(c)配置好的溶液III，对经过步骤a)和步骤b)浸润的膜框的两侧表面进行覆盖喷涂上料，并反复喷涂上料，直至厚度达到预定要求；
i)将经过步骤h)喷涂完成的膜框，置于60℃～150℃的热台上干燥；
j)用步骤(d)配置好的溶液IV，对经过步骤i)干燥的膜框两侧表面进行覆盖喷涂上料，并反复的喷涂上料，直至厚度达到预定要求；
k)将经过步骤j)喷涂上料的膜框放入烘箱中，在120℃～220℃下干燥，干燥时间0.5～8小时，得到完整的保水型质子交换膜。
2.如权利要求1所述的燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法，其特征在于所述的膨体聚四氟乙烯微孔薄膜的孔径为0.05μm～1.0μm，孔隙率大于80％，薄膜厚度10～100μm。
CN2009100132531A 2009-08-18 2009-08-18 一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法 Active CN101667648B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100132531A CN101667648B (zh) 2009-08-18 2009-08-18 一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100132531A CN101667648B (zh) 2009-08-18 2009-08-18 一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101667648A CN101667648A (zh) 2010-03-10
CN101667648B true CN101667648B (zh) 2011-09-14

Family

ID=41804156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100132531A Active CN101667648B (zh) 2009-08-18 2009-08-18 一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101667648B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102263270B (zh) * 2011-06-09 2014-04-30 西北师范大学 坡缕石甲醇燃料电池载体及其制备和应用
CN102268690B (zh) * 2011-06-15 2014-01-29 天津大学 电化学合成五氧化二氮用的隔膜及其制备方法
CN102922863B (zh) * 2012-11-05 2014-11-12 中国科学院长春应用化学研究所 一种阻醇型高导电率质子交换膜的制备方法
CN106876757B (zh) * 2015-12-12 2020-02-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种功能化增强型质子交换膜及其制备方法
CN108321417A (zh) * 2018-04-27 2018-07-24 奇瑞汽车股份有限公司 一种离子交换膜及其制备方法
CN111048811B (zh) * 2019-01-29 2020-09-18 南京攀峰赛奥能源科技有限公司 一种复合质子交换膜、制备方法以及质子交换膜燃料电池
CN110880615A (zh) * 2019-11-20 2020-03-13 江苏氢电新能源有限公司 一种高强度质子交换膜的制备方法
CN112259770B (zh) * 2020-10-21 2022-03-22 贵州梅岭电源有限公司 一种抗降解的增强型质子交换膜及其制备方法
CN112599824B (zh) * 2020-12-14 2022-01-28 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池用复合膜的制备工艺

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1263189C (zh) * 2004-02-20 2006-07-05 武汉理工大学 间接法合成质子交换膜燃料电池用超薄核心组件
CN100355132C (zh) * 2005-04-08 2007-12-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池用复合质子交换膜的合成方法
CN100384001C (zh) * 2006-04-28 2008-04-23 华南理工大学 直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1263189C (zh) * 2004-02-20 2006-07-05 武汉理工大学 间接法合成质子交换膜燃料电池用超薄核心组件
CN100355132C (zh) * 2005-04-08 2007-12-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池用复合质子交换膜的合成方法
CN100384001C (zh) * 2006-04-28 2008-04-23 华南理工大学 直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN101667648A (zh) 2010-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101667648B (zh) 一种燃料电池用保水型质子交换膜的制备方法
CN106684395B (zh) 用于燃料电池的具有梯度孔隙率的阴极催化层制造工艺
Liu et al. A review of the performance and analysis of proton exchange membrane fuel cell membrane electrode assemblies
Chi et al. Tuning hydrophobic-hydrophilic balance of cathode catalyst layer to improve cell performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) by mixing polytetrafluoroethylene (PTFE)
Kim et al. The effects of Nafion® ionomer content in PEMFC MEAs prepared by a catalyst-coated membrane (CCM) spraying method
Rajalakshmi et al. Catalyst layer in PEMFC electrodes—Fabrication, characterisation and analysis
Zhang et al. PEM fuel cell testing and diagnosis
Jeon et al. Effect of ionomer content and relative humidity on polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance of membrane-electrode assemblies (MEAs) prepared by decal transfer method
Shi et al. Fabrication of membrane electrode assemblies by direct spray catalyst on water swollen Nafion membrane for PEM water electrolysis
Zhao et al. Effect of catalyst deposition on electrode structure, mass transport and performance of polymer electrolyte membrane fuel cells
Avcioglu et al. Effect of PTFE nanoparticles in catalyst layer with high Pt loading on PEM fuel cell performance
CN110380060B (zh) 一种能够改善质子交换膜燃料电池低湿度运行性能的膜电极制备方法
CN102437343A (zh) 阳极催化层含亲水性高分子聚合物的膜电极及其制备方法
CN111584880B (zh) 一种低铂质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
CN101692487A (zh) 一种燃料电池用低透气型质子交换膜的制备方法
Liu et al. Pt/CNTs-Nafion reinforced and self-humidifying composite membrane for PEMFC applications
US9780399B2 (en) Electrode assembly with integrated reinforcement layer
KR20080080361A (ko) 촉매 코팅 막의 제조방법
Su et al. Membrane electrode assembly with Pt/SiO2/C anode catalyst for proton exchange membrane fuel cell operation under low humidity conditions
Avcioglu et al. Influence of FEP nanoparticles in catalyst layer on water management and performance of PEM fuel cell with high Pt loading
CN101000963A (zh) 一种燃料电池膜电极的制作方法
Hou et al. Improvement of proton exchange membrane fuel cell performance in low-humidity conditions by adding hygroscopic agarose powder to the catalyst layer
CN101569039B (zh) 膜-电极接合体和具有它的燃料电池
CN109659571B (zh) 一种二氧化碳电化学还原催化剂及在零距离反应器中的应用
CN111554955A (zh) 一种自增湿复合质子交换膜制备方法和膜电极及燃料电池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant