[發(fā)明專利]一種納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010035822.9
• 申請(qǐng)日: 2020-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111129558A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何建新;廖熙;邵偉力;劉凡;劉春暉;祁琳雅;張一敏;于文;元蘋平;陳元昆;岳萬(wàn)里;李夢(mèng)營(yíng);歐康康;周玉嫚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中原工學(xué)院
• 主分類號(hào): H01M8/1041
• 分類號(hào): H01M8/1041;H01M8/1072
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 冉珊敏

本發(fā)明靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法和應(yīng)用。用去離子水配制PEO的水溶液，經(jīng)磁力攪拌、超聲分散，形成均勻的PEO溶液；向PEO溶液中加入PTFE乳液，經(jīng)磁力攪拌，得到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紡絲液；將紡絲液通過(guò)靜電紡絲工藝制備納米纖維膜；取下制備的納米纖維膜，放入炭化爐中進(jìn)行燒結(jié)，然后固定四周將Nafion溶液流延在燒結(jié)后的納米纖維膜表面，真空條件下恒溫保持6?36h，即得納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜。本申請(qǐng)的納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜在制備過(guò)程中，在高溫條件下使PEO發(fā)生分解，致使納米纖維膜更加多孔，有利于提高Nafion在支撐膜中的相容性和滲透能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）核心組件膜電極組件（MEA）由氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜組成。質(zhì)子交換膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心部件之一，其作用主要在于：作為電解質(zhì)傳導(dǎo)質(zhì)子；作為隔膜隔離燃料和氧化劑并且防止電子短路。其中的質(zhì)子傳導(dǎo)性能尤為重要，它直接影響電池的內(nèi)阻進(jìn)而間接影響電池性能。因此希望質(zhì)子交換膜具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，從而盡可能降低電池內(nèi)阻，提高電流密度。Nafion膜等全氟磺酸質(zhì)子交換膜具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)今PEMFC領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類膜。但其本身也具有諸多局限性如價(jià)格昂貴、熱穩(wěn)定性差、阻醇性差以及高溫下失水嚴(yán)重等。因此針對(duì)Nafion膜的這些缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種新型Nafion改進(jìn)膜是有必要的。

納米纖維具有高比表面積和良好的機(jī)械性能，將其與質(zhì)子交換膜結(jié)合能有效改善質(zhì)子交換膜物理耐久性和機(jī)械強(qiáng)度，通過(guò)納米纖維增強(qiáng)方法制備的復(fù)合膜材料，其內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)可以為質(zhì)子傳輸提供離子通道，提高質(zhì)子傳導(dǎo)能力；并且以納米纖維作為復(fù)合膜的骨架，可以對(duì)膜起到很好的支撐作用，增強(qiáng)膜的機(jī)械性能。納米纖維的制備方法有很多，常見(jiàn)的有拉伸、模板聚合、相分離、自組織以及電紡等方法。靜電紡絲技術(shù)是使帶電的高分子溶液或熔體在靜電場(chǎng)中流動(dòng)變形，經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化，得到纖維狀物質(zhì)的一種紡絲方法，在紡制納米纖維方面被廣泛使用。靜電紡絲技術(shù)得到的纖維直徑小，由這些纖維形成的無(wú)紡布是一種有納米微孔的多孔材料，又由于它具有的大的比表面積的特性使得其在很多方面具有很大的潛在應(yīng)用前景。

專利CN201510665752.4 一種納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜的制備方法，該專利的復(fù)合質(zhì)子交換膜由微納米纖維組成的多孔膜與質(zhì)子交換樹(shù)脂復(fù)合而成。微納米纖維采用微納層共擠出方法制備，通過(guò)高速攪拌分散后，均勻地平攤在網(wǎng)上，干燥成膜后得到含有孔隙結(jié)構(gòu)的微納米纖維膜；將其浸漬質(zhì)子交換樹(shù)脂溶液后，水平放置成膜，溶劑揮發(fā)后得到厚度均勻的復(fù)合質(zhì)子交換膜。然而該專利采用的是微納層共擠出法制備微納米纖維，其纖維直徑為微米級(jí)，并且纖維直徑不均勻，造成孔隙不均勻，浸泡質(zhì)子交換樹(shù)脂成膜后其疏水性不佳并且質(zhì)子交換膜的強(qiáng)度不高，因此不能實(shí)現(xiàn)在燃料電池中的應(yīng)用。然而與該專利不同本申請(qǐng)通過(guò)靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建的納米纖維直徑均勻，纖維膜比表面積高，纖維之間相互纏結(jié)，浸漬全氟磺酸樹(shù)脂（Nafion）后得到的質(zhì)子交換膜強(qiáng)度高，疏水性好，在燃料電池中具有很高的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明采用靜電紡絲法制備納米PTFE/PEO復(fù)合纖維膜，利用碳化爐燒結(jié)復(fù)合膜除去PEO能得到多孔的PTFE納米纖維膜，再將Nafion溶液延流在納米纖維膜上，得到納米纖維增強(qiáng)型復(fù)合質(zhì)子交換膜，這種復(fù)合質(zhì)子交換膜可以提高復(fù)合質(zhì)子交換膜的強(qiáng)度，進(jìn)而提高膜的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)減少全氟磺酸樹(shù)脂的使用量來(lái)降低成本。并且利用PTFE的疏水性可以有效阻止電解液通過(guò)，增強(qiáng)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜的制備方法，步驟如下：

（1）用去離子水配制PEO的水溶液，經(jīng)磁力攪拌2-10h后，再超聲分散30-60min，形成均勻的PEO溶液；