[发明专利]一种纳米纤维增强质子/碱性膜制备方法

说明书

本发明提供一种纳米纤维增强质子/碱性膜制备方法，属于燃料电池清洁能源技术领域。该方法首先利用静电纺丝技术制备纳米纤维，然后通过溶液浸渍法、流延刮涂法、喷涂法等方法将纳米纤维与质子/氢氧根交换膜树脂结合，制得纳米纤维增强质子/碱性膜。该方法利用纳米纤维为支撑体构建质子/氢氧根传输通道，并与具有质子/氢氧根交换能力的聚合物电解质材料结合，制备纳米纤维增强质子/碱性膜，具备优异的质子/氢氧根传导性能、低甲醇渗透性、增强的机械稳定性、良好的抗溶胀性等优点，在燃料电池领域具有重要的应用价值。且制备工艺简单、性能优异、材料成本低廉。

技术领域

本发明涉及燃料电池清洁能源技术领域，特别是指一种纳米纤维增强质子/碱性膜制备方法。

背景技术

燃料电池一种直接将燃料转换为电能的装置，属于清洁可再生能源，具有体积小、质量轻、功率密度高、启动快、无噪音和无污染等优点。质子膜/碱性膜是燃料电池关键组成部分，具有传导质子/氢氧根、防止燃料渗透、防止短路等功能，质子交换膜燃料电池和碱性膜燃料电池的输出功率、循环寿命、成本及应用前景都依赖于质子/碱性交换膜。因此要求质子膜/碱性膜具备高质子/氢氧根传导性能，低甲醇渗透性，高热稳定性、化学稳定性和机械稳定性。

纳米纤维，尤其是静电纺纳米纤维，具有比表面积大、孔隙率高、机械稳定性强、易大规模生产等特点，作为燃料电池聚合物支撑体能够增强膜的尺寸稳定性、机械稳定性。此外，纳米纤维存在的纳米结构和特殊官能团能够增加离子传输活性位点，为质子/氢氧根传导构建传输通道，进而提高质子/氢氧根传导性能。同时三维网状特殊结构和亲水基团使纳米纤维复合膜在高温高湿条件下具备优异的保水和抗溶胀能力，是一种优异的质子/氢氧根交换膜支撑材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米纤维增强质子/碱性膜制备方法。

该方法首先利用静电纺丝技术制备纳米纤维，然后通过溶液浸渍法、流延刮涂法、喷涂法中的一种将纳米纤维与质子/氢氧根交换膜树脂结合，制得纳米纤维增强质子/碱性膜。

其中，静电纺丝方法具体为：将纺丝液转移入注射器内并置于注射泵上，外加电压为14-30kV，进料速率为2-12uL min-1，接收距离为8-20cm，喷口尺寸为19-27G,环境相对湿度为22-45％之间，温度为20-40℃，制备得到纳米纤维。

纳米纤维通过高速离心纺丝、溶液喷射纺丝、拉伸、催化挤出、模板合成、自组装、微相分离等方法中的一种制得。

高速离心纺丝方法具体为：纺丝溶液经过25000转/分钟以上的高速离心纺丝制得。

溶液喷射纺丝方法具体为：溶液喷射流量为5-120uL/min，气流压强为0.06-1MPa，喷射距离为5-40cm。

拉伸方法具体为：纳米纤维的拉伸强度为1.0～8.0GPa，断裂伸长率为10～30％。

以上方法为优选方案，其他方案如催化挤出、模板合成、自组装、微相分离方法作为备选方案。

纳米纤维原材料包括聚谷氨酸(PGA)、聚氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、细菌纤维素、聚酰亚胺等。

质子交换膜树脂包括无氟质子交换材料、全氟磺化交换材料和部分全氟化交换材料等。在质子膜燃料电池构成中，质子交换膜起到传递质子和隔绝燃料的作用，其中无氟质子交换材料具有价格低廉、可加工性强、质子传导性能好、机械性能好、材料来源广泛等优点，无氟质子交换材料包括磺化聚芳醚酮、聚苯并咪唑、磺化聚醚砜等，全氟磺化交换材料包括Nafion膜等，部分全氟化交换材料包括磺化三氟苯乙烯等。

上述方法以纳米纤维为支撑体构建质子传输通道，制备高性能的纳米纤维增强质子膜材料。