專利名稱：電化學(xué)電池的復(fù)合膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池的復(fù)合膜，特別是燃料電池或者電解系統(tǒng)的復(fù)合膜， 其包含一個(gè)具有原纖維多微孔結(jié)構(gòu)的墊子；其由膨體聚四氟乙烯(ePTFE)和一種填充墊子 的多微孔結(jié)構(gòu)的孔洞的離聚物組成；其能允許離子通過(guò)該膜進(jìn)行交換。
背景技術(shù)：
上述復(fù)合膜由專利US 2002/0011684 Al報(bào)道過(guò)。當(dāng)拉伸聚四氟乙烯(PTFE)時(shí)， 根據(jù)拉伸的方向，得到的產(chǎn)品在不同方向上會(huì)有不同的抗張強(qiáng)度。這使得膜具有非均勻特 性。PTFE極其疏水并且具有高度的機(jī)械不穩(wěn)定性。這兩點(diǎn)使得將離聚體加到ePTFE中比較 困難。因而要把離聚物材料注入到多微孔結(jié)構(gòu)中，就不得不加入表面活性劑，否則多微孔結(jié) 構(gòu)的濕潤(rùn)性很差，這種注入就會(huì)不完全。 專利US 4， 954， 388公開了一種多層復(fù)合膜，它含有一層連續(xù)的離子交聯(lián)聚合物 和一層由織物加固的ePTFE，所述的織物由含氟聚合物的原纖維組成。這種多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致復(fù) 合膜的厚度過(guò)大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種在各個(gè)方向上具有均勻性的、高的抗張強(qiáng)度的薄的 復(fù)合膜，所述的膜在制備時(shí)不需要使用或使用較少的表面活性劑。 為達(dá)到此目的，本發(fā)明的復(fù)合膜的特征在于墊子的多微孔結(jié)構(gòu)的原纖維被一層聚 合物覆蓋，這種聚合物優(yōu)選聚酰亞胺或含氟聚合物，其中后者優(yōu)選為四氟乙烯、六氟丙烯和 偏二氟乙烯(THV)的三元共聚物。 所述的膜的厚度基本和單層墊子的厚度相當(dāng)。所述的覆蓋層起加固的作用，其使 各個(gè)方向上都具有高的抗張強(qiáng)度。如果選用一種具有良好濕潤(rùn)性的聚合物，在將離聚物應(yīng) 用到墊子的過(guò)程中就可以減少或者不使用表面活性劑，由此提高加工速度，并且如果需要， 在應(yīng)用離聚物之前，離聚物溶液中的水分含量可以更高。此外，如果將所述的膜應(yīng)用到電解 電池中，它能夠在電池中直接應(yīng)用壓力差。


本發(fā)明前述的和進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)在下述的優(yōu)選實(shí)施例及其參照的相關(guān) 附圖中得到清晰的說(shuō)明。
附圖1是本發(fā)明的復(fù)合膜放大后的橫截面，以及選取出的放大更多的部分。
附圖2是復(fù)合膜的墊子中的由節(jié)點(diǎn)連接在一起的三個(gè)原纖維的透視圖。
具體實(shí)施例方式
—個(gè)復(fù)合膜1由原纖維3形成的墊子2和一種離聚物5組成。其中原纖維3通過(guò) 節(jié)點(diǎn)4連接或者通過(guò)如專利US RE37， 701E中報(bào)道的方式連接，以形成復(fù)合膜1的某種支架或者骨架，作為支撐結(jié)構(gòu)。墊子2具有原纖維3的非織造布的纏結(jié)結(jié)構(gòu)，具有不規(guī)則的空 穴，這些空穴形成了具有平均孔徑的多微孔，例如平均孔徑為0.2ym時(shí)，墊子的孔隙率為 85% 90%，厚度為311111。原纖維3由膨體聚四氟乙烯(ePTFE)組成。為將墊子2制成復(fù) 合膜1，用常規(guī)方法將離聚物5加入到微孔中，并且涂布在墊子2的兩個(gè)表面上從而形成一 個(gè)氣密的膜。溶于溶劑中的離聚物要均勻地涂布，從而注入墊子2的微孔，使其閉塞。
在涂布離聚物5之前，將一種加固的和易潤(rùn)濕的材料10涂布到墊子2的原纖維3 和節(jié)點(diǎn)4上，從而形成一個(gè)覆蓋層，這種材料10實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)電池?zé)o污染的目的，增加了 ePTFE的抗張強(qiáng)度，改變了原纖維3的表面性質(zhì)，使得它們更易潤(rùn)濕。根據(jù)所述的實(shí)施例， 所述的材料10是THV或者是聚酰亞胺，THV是三種成分四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯 的三元共聚物。將其置于溶液或懸浮液中從而填滿墊子2的微孔結(jié)構(gòu)且不破壞它們。所述 的溶劑可為酮類，較佳地，對(duì)THV采用丙酮溶解，對(duì)聚酰亞胺采用N-甲基吡咯烷酮。將所述 的溶液涂布于原纖維3的方法中采用標(biāo)準(zhǔn)流程如空氣中或無(wú)空氣濺射、浸入或絲網(wǎng)印刷， 優(yōu)選超聲波噴霧器濺射。然后溶劑蒸發(fā)，并且不破壞墊子2的結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)采用的溫度依賴于 所選用的材料10。在接下來(lái)的一個(gè)非必需的步驟中，特別若THV作為材料IO，使用的溫度 可以稍高于它的熔點(diǎn)，優(yōu)選比熔點(diǎn)高15t:，從而燒結(jié)原纖維3并固化原纖維3的覆蓋層，尤 其當(dāng)墊子2包括節(jié)點(diǎn)4時(shí)。這增大了機(jī)械穩(wěn)定性因?yàn)樵w維3會(huì)被材料10包裹得地更堅(jiān) 硬，并且相互粘著地更緊密。原纖維3和覆蓋層中材料10的質(zhì)量比可以為500 : 5，優(yōu)選
io : 3。 由上述方法制得的復(fù)合膜1具有高度的機(jī)械穩(wěn)定性和均一的抗張強(qiáng)度，尤其是收 縮性和膨脹性沒有傳統(tǒng)的復(fù)合膜劇烈，因此使其更易操作，如在電化學(xué)電池中的封裝技術(shù) 操作。此外，其制造速度更快，因?yàn)樗恍枰砻婊钚詣?，以及因?yàn)楦采w原纖維3的材料10 的不同的疏水性致使離聚物溶液可能含有的更高的水分比率。復(fù)合膜l還可以沒有空穴， 也是因?yàn)椴牧?0較低的疏水性和低級(jí)別的ePTFE，也就是說(shuō)，由于可以將更低機(jī)械強(qiáng)度的 材料用于墊子2上，從而節(jié)約了成本。 如果將復(fù)合膜1用于電解質(zhì)電池中，壓力差可以應(yīng)用在復(fù)合膜1的兩側(cè)，從而形成
一個(gè)更簡(jiǎn)易、更不復(fù)雜的系統(tǒng)配置。
實(shí)施例 墊子2UD160F來(lái)自上海優(yōu)天高新材料有限公司(Uno-Tech Ltd. ， Shanghai)，厚度 3iim，孔隙率^ 85%，孔徑在0. 1至liim之間。墊子2裝在一個(gè)架子上從而兩個(gè)主要的表 面不會(huì)接觸到別的地方。然后將該架子置于超聲波噴霧器下方，加熱平板上方約3cm處，將 該平板加熱到IO(TC。 利用超聲波噴霧器將一懸浮液濺射到墊子2的上表面。該懸浮液由3wt^的 THV220G組成，它是一種氟橡膠，產(chǎn)自美國(guó)的Dyneon， Inc. of Oakdale，Minn.，比重1. 95，熔
點(diǎn)124t:，混合在丙酮中。 也可以使用Dyneon公司的THV400G或者THV500G，其中需要考慮其不同的熔點(diǎn)，分 別為150°C 16(TC和162°C 174°C。濺射本身是以一種交叉的方式進(jìn)行，通過(guò)從左到右 成排地濺射懸浮液，然后從上到下成列地濺射，由此將懸浮液涂布到墊子2的微孔中而不 停留在墊子2的表面上，并且不會(huì)通過(guò)墊子2滴到加熱平板上。幾乎在進(jìn)行濺射步驟的同 時(shí)，加熱平板將丙酮烘干。
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下一步是在15(TC下燒結(jié)15分鐘。含有用強(qiáng)化材料10加固后的原纖維3的墊子 2由10wt^的ePTFE組成，用總量為2. 7wt^的THV加固，墊子2的總孔隙率大約為87. 3% (為計(jì)算更簡(jiǎn)單，THV和ePTFE不同的比重忽略不計(jì))。 在最后一步中，再次使用超聲波噴霧器，將離聚物5濺射到仍置于架子上的強(qiáng)化 墊子2的覆蓋層上。該離聚物包含10wt^的Nafion⑧的水溶液(購(gòu)自杜邦公司)和一種 醇，優(yōu)選乙醇；將兩種成分混合，得到的溶液或懸浮液包含總量為5wt%的Nafion⑧。將離 聚物的溶液通過(guò)交叉的方式濺射到墊子2上。最后的生產(chǎn)步驟包含一個(gè)120分鐘的干燥過(guò) 程，干燥溫度IO(TC，以及一個(gè)60分鐘的燒結(jié)過(guò)程，燒結(jié)溫度150°C。 在一個(gè)氫-空氣燃料電池的單電池中，采用干燥氣體，空氣壓力為環(huán)境常壓，氫氣 壓力為0. 4Bar，該便宜的復(fù)合膜，例如在0. 6V，58"時(shí)可以達(dá)到650mA/cm2。
權(quán)利要求
一種電化學(xué)電池的復(fù)合膜(1)，其包含一個(gè)墊子(2)和一種離聚物；該墊子(2)具有原纖維(3)的多微孔結(jié)構(gòu)，由膨體聚四氟乙烯(ePTFE)組成；該離聚物填充墊子多微孔結(jié)構(gòu)中的空洞，允許離子通過(guò)所述的膜進(jìn)行交換；其特征在于所述的墊子(2)的多微孔結(jié)構(gòu)中的原纖維(3)被一層聚合物(10)覆蓋。
2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合膜，其特征在于所述的聚合物(10)為聚酰亞胺。
3. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合膜，其特征在于所述的聚合物(10)為含氟聚合物。
4. 如權(quán)利要求3所述的復(fù)合膜，其特征在于所述的含氟聚合物為四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯(THV)的三元共聚物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電化學(xué)電池的復(fù)合膜(1)，也就是一種燃料電池或者電解系統(tǒng)，所述的復(fù)合膜包含一個(gè)具有原纖維(3)多微孔結(jié)構(gòu)的墊子(2)，并且還包含一種填充墊子的多微孔結(jié)構(gòu)中的孔洞的離聚物(5)，允許離子通過(guò)復(fù)合膜進(jìn)行的交換，所述的原纖維(3)由膨體聚四氟乙烯(ePTFE)組成，并且被一層聚合物(10)覆蓋，尤其是聚酰亞胺或者THV。
文檔編號(hào)H01M4/94GK101771153SQ20081020508
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者翟峻, 顧志軍 申請(qǐng)人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司