專利名稱：一種質子交換膜燃料電池用的自保濕復合膜及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種質子交換膜燃料電池用的聚合物膜的結構及其制備方法。
美國杜邦公司G·拉詹德蘭申請的“用于直接供給燃料的燃料電池的多層隔膜”發(fā)明專利(申請?zhí)?/b>97180928.3)，該專利涉及一種陽離子交換隔膜，它具有至少三層陽離子交換聚合物的疊層結構。在按照該發(fā)明的隔膜中，疊層中的陽離子交換聚合物具有聚合物主鏈和載于重復側鏈上的陽離子交換基，該側鏈以聚合物主鏈中與陽離子交換基相關的一些碳原子附著到聚合物主鏈上，該交換基確定每層的離子交換率(IXR)，層具有不同的IXR值，它提供一層或多層高IXR層和一層或多層低IXR層，該低IXR層的IXR小于約17和該高IXR層的IXR至少約為15。在按照該發(fā)明的隔膜中，高和低層在隔膜厚度方向上的至少兩個位置還具有至少約為2的IXR變化。該專利為多層有機復合膜，可用于燃料電池，但沒有保濕作用，限制了其應用范圍。
浙江大學申請的“超低熱膨脹系數的聚酰亞胺/粘土納米復合膜的制備方法”中(申請?zhí)?/b>00101315.7)，公開了一種制備有機與無機復合膜的方法，即在反應器中用四氫呋喃/甲醇混合溶劑溶解芳香二胺，再加入芳香酸酐和三級胺進行反應，得到聚酰胺酸鹽溶液；將有機化粘土倒入四氫呋喃/甲醇混合溶劑中形成有機化粘土溶液。將兩溶液攪拌成聚酰胺酸鹽/有機化粘土溶液后倒在玻璃板上，用成膜器刮成所需厚度的薄膜，在氮氣保護下以設定的溫度程序烘干和固化，冷卻至室溫，從玻璃板上取下，即得到不含有殘留溶劑具有超低膨脹系數的薄膜。但該薄膜完全不能用于燃料電池作為電解質膜。
天津紡織工學院膜天膜技術工程公司申請的“聚偏氟乙烯多孔復合膜的制法”(申請?zhí)?/b>98103152.8)發(fā)明專利，該專利涉及聚偏氟乙烯多孔復合膜的制法。其特征是以聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共混物為基膜，通過化學反應或輻照對其表面改性，使之形成C＝C、-OH、-COOH、-COOR或自由基的活性增長點，再使基膜與功能性高分子或聚合物單體進行接枝反應，使其表面形成疏松型復合層；對于本身已具有C＝C、-OH、-COOH、COOR或自由基的聚偏氟乙烯共混物基膜，直接進行接枝反應，形成疏松型復合層。本發(fā)明方法所得產品具有更好的抗污染性和選擇分離效果。該專利為有機復合膜，但完全不能用于燃料電池作為電解質膜。
本發(fā)明的目的是提供一種質子交換膜燃料電池用的自保濕復合膜及其制備方法，可用于燃料電池作為電解質膜，旨在簡化燃料電池的部件和操作規(guī)程，降低燃料電池的成本。
本發(fā)明的技術方案如下一種質子交換膜燃料電池用自保濕復合膜，包括質子交換有機膜基體，其特征在于該復合膜是由質子交換有機膜基體和具有保濕功能的涂層復合而成，所述涂層是在含有與有機膜成分相同的有機物的有機溶液中加入無機物或其氧化物粉末，涂覆在有機膜的一側或兩側。
在涂層中加入的無機物或其氧化物通常為硅、鈦、鋁、錳、鎳、鈷、鐵或其氧化物。涂層的厚度應保證所含的無機物或其氧化物保持在0.1～5毫克/平方厘米。
一種制備所述質子交換膜燃料電池用自保濕復合膜的方法，包括以下步驟(1)選取具有質子交換能力的有機膜作基體；(2)將無機物或其氧化物粉碎，制成0.1～10微米的粉末；(3)選取與有機膜基體成分相同的有機物，制成有機溶液，與步驟(2)中的粉末均勻混合，制成漿料，其中粉末含量為0.1～10％；(4)將混合物漿料涂覆在有機膜基體的表面，在惰性氣氛下，烘干、固化；(5)重復步驟(4)，直至涂層厚度中的無機物或其氧化物保持在0.1～5毫克/平方厘米。
所用有機溶劑可為異丙醇、苯、二甲基甲酰胺、丙酮或氯仿中的任一種。
本發(fā)明與現有燃料電池所使用的普通有機膜相比，其自身具有保持水份的特點，可用于燃料電池作為電解質膜，不需另外增濕；因而可有效簡化燃料電池的部件和降低燃料電池的成本。
圖2為兩側有涂層的自保濕復合膜。
圖3為含二氧化鈦復合膜的燃料電池的性能曲線。
圖4為含二氧化鈦復合膜的燃料電池的穩(wěn)定性試驗結果。
圖中1-有機膜基體；2-涂層效果當氫氣壓力為2atm，氧壓力為2.4atm，溫度為80℃，單電池工作壓力為0.7V時，其電流密度可達0.8A/cm2以上。
效果當氫氣壓力為2.4atm，氧壓力為2.4atm，溫度為80℃，單電池工作壓力為0.7V時，其電流密度可達0.7A/cm2以上。
效果當氫氣壓力為2.6atm，氧壓力為2.8atm，溫度為80℃，單電池工作壓力為0.7V時，其電流密度可達1.5A/cm2(見圖3所示)。而且其穩(wěn)定性能很好，在0.55～0.6V之間長時間穩(wěn)定放電，放電電流2.34A/cm2。(見圖4)
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池用的自保濕復合膜，包括質子交換有機膜基體，其特征在于該復合膜是由質子交換有機膜基體(1)和具有保濕功能的涂層(2)復合而成，所述涂層是在含有與有機膜成分相同的有機物的有機溶液中加入無機物或其氧化物粉末，涂覆在有機膜的一側或兩側。
2.按照權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用的自保濕復合膜，其特種在于涂層中加入的無機物或其氧化物為硅、鈦、鋁、錳、鎳、鈷、鐵及其氧化物。
3.按照權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用復合膜，其特種在于涂層中所含的無機物或其氧化物保持在0.1～5毫克/平方厘米。
4.一種制備如權利要求1所述自保濕復合膜的方法，包括以下步驟(1)選取具有質子交換能力的有機膜作基體；(2)將無機物或其氧化物粉碎，制成0.1～10微米的粉末；(3)選取與有機膜基體成分相同的有機物，制成有機溶液，與步驟(2)中的粉末均勻混合，制成漿料，其中粉末含量為0.1～10％；(4)將漿料涂覆在有機膜基體的表面，在惰性氣氛下，烘干、固化；(5)重復步驟(4)，直至涂層厚度中的無機物或其氧化物保持在0.1～5毫克/平方厘米。
5.按照權利要求4所述的方法，其特征在于所用有機溶劑為異丙醇、苯、二甲基甲酰胺、丙酮或氯仿中的任一種。
全文摘要
一種質子交換膜燃料電池用的自保濕復合膜及其制備方法，涉及燃料電池用的聚合物薄膜的結構及其制備。該復合膜是由質子交換有機膜和具有保濕功能的涂層復合而成，所述涂層是在含有與有機膜成分相同的有機物的有機溶液中加入無機物或其氧化物粉末，涂覆在有機膜的一側或兩側。其制備方法是選取具有質子交換能力的有機膜作基體，將無機物或其氧化物粉碎成0.1～10微米的粉末，將粉末、與有機膜成份相同的有機物及有機溶劑均勻混合，制成漿料，涂覆在有機膜基體的表面，烘干、固化，即可制得自保濕復合膜。本發(fā)明可用作燃料電池作為質子交換膜，不需另外增濕，可有效簡化燃料電池的部件，降低燃料電池的成本。
文檔編號H01M4/88GK1442913SQ0210383
公開日2003年9月17日 申請日期2002年3月29日 優(yōu)先權日2002年3月29日
發(fā)明者毛宗強, 王誠, 徐景明, 謝曉峰 申請人:清華大學