硬度和尺寸稳定性都高的离子传导膜制造技术

整体复合膜，由膨胀聚四氟乙烯构成，具有一定形貌结构，是由原纤维交织而成的很长结节，该微结构被离子聚合物所浸渍。该复合膜有很高的硬度，因而减少短路的可能，改善了燃料电池的性能和寿命。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
硬度和尺寸稳定性都高的离子传导膜专利
本专利技术涉及离子传导膜(ICM)，具体地说是涉及在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中使用的ICM。专利技术背景在PEM燃料电池应用中，质子传导膜置于两个电极即阴极与阳极之间，且在有些场合下，该两个电极与传导膜直接相接。质子通过离子传导膜由阳极传导到阴极。该膜的电导会影响燃料电池的性能与功率密度。为了改善燃料电池的性能，离子传导膜的电阻必须降下来。降低电阻的方法之一就是减小ICM的膜厚。然而，对于离子键聚合物挤压或浇注的膜，这层膜的强度随厚度变薄而降低，使得该膜的尺寸稳定性较差，且更难于处理。授权给Asahi玻璃公司的日本专利JP11067246描述了一种增强型离子交换膜。该专利技术的ICM是采用碳氟聚合物纤维编织成10-100支经纬织物而得以增强。这种结构可以提高复合膜的强度。授权给Bahar等人的美国US Pat.No.5,547,551描述了一种ICM复合膜的基质材料以及离子交换树脂。该基质材料是一种厚度小于1密耳(0.025mm)，有原纤维交织而成的节结的微结构，或没有结点的原纤维构成的微结构的薄膜。该离子交换树脂浸透薄膜，使该膜基本上不透空气。在整个复合膜中，它的强度由微孔膜而得以增强，薄膜厚度还可以进而降低，使得传导质子的阻力也减小。因此，这种整体复合膜的电阻较小，还能维持高的强度。然而，PEM燃料电池系统对任何一种膜都是有侵蚀性的环境。为了减小部件之间的接触电阻，电池通常被压缩到约50-400psi的压力。在如此高压力下，薄膜极易引发电极短路。此外，高压下电池的长期机械稳定性对ICM显得越发重要。尽管ICM微孔增强结构能提高薄膜强度，也即降低溶胀性和破损，但现有的强度还不足以抵挡穿过平面引起的穿孔。本专利采用膜面上“(in-plane)”意指平行于材料的平面，而“穿过膜面(through-plane)”意指垂直穿过材料的平面。-->ICM的两侧通常有碳粒子，离子键聚合物，以及催化剂组成的电极。电极层的外侧通常为碳纤维组成的扩散层，碳纤维的形式或为编织物或为非织造织物。在有些场合下，有个微结构层被加在气体扩散介质上，它由碳或石墨颗粒、离子聚合物和含氟聚合物构成。大多数气体扩散介质相对于ICM层很显粗糙。此外，气体扩散介质厚度的差异会很大，特别是编织型气体扩散介质。对于编织型气体扩散介质，厚度的差异通常为0.002-0.004”。气体扩散介质厚度的不均匀性可导致系统内高压区域的形成。这些高压区域可造成ICM膜变薄。有时候会引起阳极与阴极的短路。而且，气体扩散介质的硬质碳纤维会刺穿ICM，导致燃料电池组装时或稍后由于纤维持续不断穿透ICM而造成短路。燃料电池正常运行时温度很高，会加速离子键聚合物的机械变形。这种蠕变会使ICM变薄，增加了纤维从气体扩散介质到ICM层的穿透。ICM薄膜的另一种问题是电极周围厚度不均匀加压缩变形造成的电极周围厚度不均匀。在电极层厚度不均匀情况下，作用在ICM膜上的压力会变化极大。在较厚电极区域，压力较高，很容易出现变形，还会导致ICM膜变薄。实际上，ICM膜的压缩变形会造成阳极与阴极的接触，发生薄膜的电子短路。ICM膜的电极短路会降低燃料电池的工作效率。薄膜电子短路的电压差应与电池工作电压相同。因此，相应的电流从燃料电池分流，且经过电子短路而流走。短路的电阻值越低，相关的电流值越高。因此，ICM薄膜必须保持低离子电阻，而有更强的抗击穿能力，以及随之的抗短路能力。此外，还必须减小由于水合作用引起的膜面上尺寸的变化。然而，穿过膜面的水合溶胀是符合理想要求的性质，因为它会进一步降低燃料电池内各部件之间的接触电阻。                         专利技术综述本专利技术相对于过去已知的离子传导膜的性能有明显的改善，例如提高了其硬度与尺寸稳定性。在本专利技术的一个实施方式中，整个复合膜是由具有形貌结构的扩展聚四氟乙烯组成，该形貌结构是由原纤维交织而成的异常拉长结节的微结构，此复合膜然后用离子键聚合物浸渍。这种复合膜显示出超强硬度，因而能降低电短路，改善燃料电池的性能与使用寿命。更具体地说，本专利技术提供的复合膜是由(a)原纤维交织成结结而形成内部微结构的聚四氟乙烯膜，结节基本上呈平行排列，异常拉长，并且其径宽比-->大于25∶1；(b)薄膜整体为离子交换材料所浸透，浸渍的扩展聚四氟乙烯膜具有的Gurley数大于10,000秒，其中离子交换材料浸透该薄膜，造成该薄膜的内孔基本上闭塞。在另一方面，本专利技术提供的复合膜由具有含有节结微结构的基质材料构成，且由原纤维交织而成通道，其硬度大于1,000MPa，并且离子交换材料浸透整个基质材料。复合膜的Gurley数大于10,000秒，其中离子交换材料浸透该基膜，造成其中通道基本上闭塞。                        附图简要说明图1是根据本专利技术一个示例性实施方式的复合ICM膜的截面面。图2是根据本专利技术一个示例性实施方式的基质材料表面的扫描电镜照片。图3是根据本专利技术另一个示例性实施方式的基质材料表面的扫描电镜照片。本专利技术详细说明正如图1所示，复合膜10包括基质材料11和离子交换材料12，离子交换材料最好为离子交换树脂。基质材料11是一个具有形貌结构的膜，是由有原纤维交织而成空穴或孔隙的网状结构的异常拉长的结点的微结构形态。薄膜整体基本上浸渍有离子交换材料12，造成其内部空穴和孔隙基本上闭塞。如图1所示，基材的单面或双面都可含有离子交换材料12。本专利技术的复合膜在膜面方向上具有极好的尺寸稳定性，硬度高并且厚度均匀。这里采用“极好尺寸稳定性”意指根据下面所述的试验方法，计算出该复合膜干燥状态和完全水合状态之间的尺寸变化不超过2％。“高硬度”即指硬度超过1,000MPa，“产品均匀”是指该复合膜结构内无针眼或断续结构。“基本上闭塞”意指该复合膜内部填满了离子交换材料，使最终形成的复合膜的Gurley数大于10,000秒。为达到本专利技术的目的，应填满了90％以上膜内部的空穴体积。根据美国专利US Pat.No.5,814,405所述，基质材料是一种膨胀的聚四氟乙烯(ePTFE)，其中节结异常长，其径宽比大于25∶1。其空气渗透性与强度合起来表明该ICM膜的性能有所提高。高强度保证了其尺寸稳定性，高透气性要求其内部有相当多空穴体积，浸渍后具有高离子传导率。该美国专利-->5,814,405参考引用。合适的离子交换材料包括(但不限于)全氟硫酸树脂，全氟羧酸树脂，聚乙烯醇，二乙烯基苯、苯乙烯类聚合物，以及含聚合物或不含聚合物的金属盐类。适用于离子交换材料的溶剂包括醇，碳酸盐，四氢呋喃(THF)，水，以及它们的混合物。为了在该基质材料上施加，制备一种溶液，该溶液的溶剂中含有离子交换材料。该溶液通过常规涂覆技术施涂在基质材料上，括前辊涂，逆辊涂，凹面涂或刮辊涂，以及浸涂，刷涂，喷涂等手段，只要该溶液能渗入基质材料的间隙和内部空穴即可。去除膜面上的多余溶液。然后，将处理过的薄膜置于烘箱内干燥。烘箱温度置于60-200℃之间，但较佳在160-180℃之间。可以进行重复施涂及随后的干燥，直至薄膜完全透明，使ICM膜的Gurley数大于10,000秒。通常要求2-6次处理，但实际处理次数取决于膜基的浓度与厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合膜，包括：（ａ）膨胀聚四氟乙烯膜，它的内部微结构基本上由原纤维交织的结节组成，所述结节基本上平行排列，结节高度拉伸，其径宽比等于或大于２５∶１；（ｂ）浸透该薄膜的离子交换树脂，此浸渍过的膨胀聚四氟乙烯膜的Ｇｕｒｌｅｙ数大于１０，０００秒，其中离子交换材料基本上浸透该膜，使膜内空穴基本上闭塞。

【技术特征摘要】
US 2001-9-10 09/950,8391.一种复合膜，包括：(a)膨胀聚四氟乙烯膜，它的内部微结构基本上由原纤维交织的结节组成，所述结节基本上平行排列，结节高度拉伸，其径宽比等于或大于25∶1；(b)浸透该薄膜的离子交换树脂，此浸渍过的膨胀聚四氟乙烯膜的Gurley数大于10,000秒，其中离子交换材料基本上浸透该膜，使膜内空穴基本上闭塞。2.如权利要求1所述的复合膜，其硬度大于1000MPa。3.如权利要求1所述的复合膜，其硬度大于1500MPa。4.如权利要求1所述的复合膜，其硬度大于2000MPa。5.如权利要求1所述的复合膜，其纵向尺寸稳定性小于6％。6.如权利要求1所述的复合膜，其纵向尺寸稳定性小于4％。7.如权利要求1所述的复合膜，其纵向尺寸稳定性小于2％。8.如权利要求1所述的复合膜，其横向尺寸稳定性小于10％。9.如权利要求1所述的复合膜，其横向尺寸稳定性小于8％。10.如权利要求1所述的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：AR赫布森，SJ麦肯齐，
申请(专利权)人：戈尔企业控股股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]