[發明專利]一種制備多層復合納米纖維質子交換膜的裝置及方法

在審

• 申請號: 201410322908.4
• 申請日: 2014-07-09
• 公開（公告）號: CN105280939A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 陳慧明;姜濤;王丹;張克金;安宇鵬
• 申請（專利權）人: 中國第一汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王薇

技術領域

本發明涉及到一種制備多層復合納米纖維質子交換膜的裝置及方法，屬于電池材料技術領域。

背景技術

燃料電池是未來二次電池的發展趨勢，現在燃料電池的瓶頸在于質子交換膜(PEMFC)，現在質子交換膜普遍采用美國杜邦公司開發的全氟硫酸質子交換膜(Nafion?膜)，盡管這種膜在多方面都有很多優勢，但是還是存在很多的缺陷，一是這種膜的電導率依賴于隔膜的水含量，使離子交換膜只能在增濕氣體中使用；二是由于全氟酸樹脂玻璃花溫度較低，為130℃，這點造成隔膜的熱穩定性較差；三是這種隔膜的機械強度和尺寸穩定性不佳；另外Nafion膜昂貴的價格也嚴重影響著全釩電池的產業化進程。目前對燃料電池的研究如火如荼，因此對價格低廉、綜合性能好的質子交換膜的需求量也逐漸增多，對質子交換膜的技術要求也越來越高。近年來，人們不斷研究具有優良化學性能以及機械性能的新材料，比如非氟質子交換膜材料，例如磺化聚醚醚酮，磺化聚醚醚酮，磺化聚(醚)砜。但是，目前研究的非氟質子交換膜普遍具有兩個問題：一是質子傳導率與隔膜機械穩定性之間的矛盾；另外這種隔膜的抗氧化性較差，不能滿足燃料電池運行壽命的要求。

本專利采用非氟質子交換膜作為基材，在其表面靜電紡絲一層雜多酸與納米顆粒的混合絲薄膜。雜多酸具有較高的質子導電能力、獨特的結構和化學性質，這幾年來經常作為常溫燃料電池的電解液和表面助催劑，將其紡絲到隔膜表面可以增加隔膜的質子傳導的能力。同時在紡絲膜中添加納米粒子可以提高材料的機械強度及機械穩定性，同時有文獻報道某些納米粒子可以增加復合膜在高溫時的吸水率，例如SiO₂，TiO₂等。在紡絲接收后還進行了聚吡咯的包覆，在隔膜的表面合成一層聚吡咯包覆層，聚吡咯主鏈中含有大量NH基，他可以與雜多酸陰離子產生前列的靜電作用以及比分氫鍵作用，可以將雜多酸分子牢固的吸附在聚吡咯陽離子周圍，起到固定雜多酸、防止其脫落。

專利號為“CN101387017A”的“一種改性聚醚醚酮纖維的制備方法”在聚醚醚酮中加入無機納米材料和有機高分子材料，通過熱拉伸定型后得到改性聚醚醚酮纖維。與本專利沒有相似之處。

專利號為“CN101079487A”的“質子交換膜燃料電池用的多層自增濕復合膜及其制備方法”發表的是將多孔增強膜上澆注或噴涂有質子交換膜樹脂，形成增強的復合膜，將由催化劑和質子交換膜樹脂組成的自增濕復合層澆注或噴涂在增強的復合膜兩側。最終形成具有良好的穩定性、較高的之子傳導率和較好的自增濕性能的質子交換膜。與本專利沒有相似之處。

經過專利的檢索和分析表明，本專利中所述質子交換膜的制備方式沒見報道。

發明內容

本發明的目的是提供了一種制備多層復合納米纖維質子交換膜的裝置及方法，在非氟質子交換膜材料表面靜電紡絲一層雜多酸與納米顆粒的混合絲薄膜，增加材料的質子交換能力以及機械強度。

本發明的技術方案是這樣實現的：制備多層復合納米纖維質子交換膜的裝置，包括傳動收卷裝置，兩套靜電紡絲系統，一套吡咯聚合系統以及滾壓系統；其特征在于：每套靜電紡絲系統中包括帶有高效多針噴絲頭的靜電紡絲機、高壓直流電源、計量輸液泵、接收裝置，溫控裝置，氣體回收裝置；吡咯聚合系統包括抄紙槽和聚合槽兩部分，聚合槽帶有溫度控制系統；滾壓系統中含有清洗裝置、烘干裝置和滾壓裝置，滾壓裝置含有溫控系統控制其滾壓溫度；所有裝置通過機械控制集成統一控制；成卷的非氟質子交換膜基材與傳動放卷裝置固定；將非氟質子交換膜基材通過第一個接收裝置，紡絲裝置位于接收裝置之上，將紡絲液注入紡絲裝置，在紡絲裝置與接收裝置之間加高電壓，在高電壓的作用下，對基材的一面進行靜電紡絲。第二個接收裝置位于第一個接收裝置的正上方，完成一面紡絲的非氟質子交換膜基材通過滾輪翻轉到第二個接收裝置上，同樣使用紡絲裝置對基材另一面進行紡絲；溫控裝置控制整個紡絲艙體的溫度，回收裝置位于紡絲艙體的正上方用來回收紡絲過程中蒸發的溶劑；紡絲完成的基材經過抄紙槽，使基材表面形成一層吡咯液體膜，之后經過聚合槽進行吡咯的聚合；然后進入烘干裝置中烘干，在進入烘干裝置之前要有清洗裝置對隔膜進行洗滌，洗掉多余的液體；烘干后的復合隔膜經過滾壓裝置滾壓后由傳動收卷裝置收集，就得到復合隔膜。

所述每套靜電紡絲系統中高壓直流電源加在紡絲針頭與接收裝置之間，接收裝置接地，接收裝置為鋁箔；高效靜電紡絲針頭是單排或者陣列式排列；針頭的孔徑為0.3~1mm，針頭長度在3~5cm。

一種制備多層復合納米纖維質子交換膜的方法，其特征在于具體的制備步驟如下：