[发明专利]超薄等离子体聚合磺酸基质子交换膜的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种超薄等离子体聚合磺酸基质子交换膜的制备方法及装置。

背景技术

降低燃料电池的成本，实现燃料电池的小型化，发展微型高分子电解质膜燃料电池，扩大应用范围(如使燃料电池广泛应用于可便携式电子设备)，提高燃料电池的性能和寿命，是当前国际研究的焦点。其中关键是燃料电池核心材料质子交换膜和新型电极的制作。质子交换膜不仅是燃料电池的核心材料，而且也是氯碱工业、传感器等必须的组件。目前商用的燃料电池大多采用国外生产的全氟磺酸质子交换膜，主要如：美国Du Pont公司的Nafion系列膜。但是我国还未能进入产业化，都是依赖进口。Nafion系列全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导大(水含量大时)，功率密度高，使用寿命长等优点，但也存在下述缺点：对温度和含水量要求高。Nafion系列膜的最佳工作温度一般为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导致其导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；对某些碳氢化合物(如甲醇等)渗透率(Crossover)较高，不适合用作直接甲醇燃料电池的质子交换膜；另外，如果采用上述膜，膜费用约占总成本的20％～30％，而且由于其制备方法的限制，本身不能制成超薄结构膜，不适合于小型化燃料电池，因此开发比现有全氟磺酸膜更适合于燃料电池的膜材料一直是人们关注的问题。

目前对质子交换膜的研究主要集中在以下两个方面：一是采用将Nafion树脂与其它非氟材料结合制备复合膜或共混膜的办法减少全氟树脂的用量，或者在膜表面沉积一层薄的阻挡层以阻止MeOH渗透性；二是开发新型抗氧化性强、低成本的非氟或者部分含氟质子交换膜材料。其中等离子体聚合法制备质子交换膜成为当前最前沿的研究方向。等离子体聚合质子交换膜具有传统湿法化学合成的质子交换膜所不具备的优势：(1)具有超薄、致密、非晶三维交联结构；(2)超薄的等离子体高分子膜允许燃料电池小型化以及与电极之间紧密结合；(3)高度交联结构使得高分子电解质膜具有高度的化学和热稳定性以及有机液体如甲醇的低渗透性；高度交联结构又能有效解决膜的降解问题。因此澳大利亚著名等离子体物理学家Rod.Boswell认为：“正如27年前当干式等离子体刻蚀技术代替传统湿法化学刻蚀方法后，微电子工业发生了一次革命。如今采用等离子体加工技术代替传统的化学方法合成燃料电池的核心材料：质子交换膜和电极，也将在燃料电池工业中发生一次同样的革命”。