[发明专利]一种多刺氧化铝纳米纤维复合质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种多刺氧化铝纳米纤维复合质子交换膜及其制备方法，属于质子交换膜燃料电池质子交换膜的技术领域。该复合质子交换膜的具体制备方法包括如下步骤：1)将以金属铝粉、氯化铝等为原料，水为溶剂制备的铝溶胶与PTFE乳液按一定的比例混合，持续搅拌至均匀制备纺丝溶液；2)利用EBS技术结合热处理工艺，通过调节热处理工艺参数成功制备多刺氧化铝纳米纤维；3)将所得的多刺氧化铝纳米纤维、N，N‑二甲基甲酰胺(DMF)和磺化聚砜(SPSF)按一定比例混合均匀，采用溶液浇铸法制备复合质子交换膜；运用该方法制备的复合质子交换膜在开发作为高性能质子交换膜中展现出独特的优势和潜能。

技术领域

本发明涉及多刺氧化铝纳米纤维复合质子交换膜及其制备方法，属于质子交换膜燃料电池质子交换膜的技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，特别是直接甲醇燃料电池(DMFC)，作为最新一代的燃料电池，具有室温下快速启动，工作条件宽容、比功率和比能量高，资源利用率高、体积小质量轻，绿色环保等优点，在汽车行业、军事领域、电子科技领域、家庭备用电源等方面具有良好的发展前景，尤其是在新能源汽车行业获得了出色的应用，有望成为未来发展的最为理想的新型能源技术。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，其性能的好坏直接决定了电池直接决定电池能量密度及能量转化效率的高低。在电池的内部，质子交换膜一方面起着隔离阳极甲醇、氢气燃料与阴极氧气，避免二者的直接接触，发生短路。另一方面，质子交换膜具有选择透过性，提供质子传递通道进行质子传导，保证电池总反应的连续发生，同时实现电子通过外电路持续供能。为了保证燃料电池能稳定高效的工作，质子交换膜应具有高质子传导性、低燃料渗透性以及足够的热稳定性和机械稳定性。目前，Nafion是最先进的全氟磺酸膜，已被广泛研究并用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。完全水合状态下独特的双连续结构提供了优异的质子传导性能和机械强度。通常，在80℃和100％相对湿度下，电导率可达约0.1S/cm，这使得燃料电池性能令人满意。但Nafion膜甲醇渗透率高、低湿高温下膜质子选择性，机械稳定性下降和成本较高等缺点制约了其在燃料电池中的规模化使用。因此，开发性能增强的新型质子交换膜材料迫在眉睫。

到目前为止，已经有多种策略如模板法、微相分离法和混合法被用来构建质子传导通道以获得高性能质子交换膜。纳米纤维由于具有高比表面积、优异的力学性能和多样的组成特征，在质子交换膜(PEM)的制备中得到了广泛的应用并被认为是复合质子交换膜优异的填料。通过精心设计的纳米纤维结构制造长程有序质子传输路径以提高质子交换膜性能的策略成为研究热点。Wang et al.(L.Y.Zhang et al.，Constructing Amino-Functionalized Flower-like Metal-Organic Framework Nanofibers in SulfonatedPoly(ether sulfone)Proton Exchange Membrane for Simultaneously EnhancingInterface Compatibility and Proton Conduction.ACS applied materialsinterfaces 2019，11(43)，39979-39990.)成功构建了新型花状MIL-53(Al)-NH₂纳米纤维(MNF)，通过在磺化聚醚砜(SPES)基体中加入功能性和连续的MNF填料，获得了具有高性能MNFs@SPES杂化膜。具体而言，当MNFs含量增加至5wt％时，质子传导率提高至0.201S/cm，从而实现了质子传导和膜稳定性的同时改善。然而，由于纳米纤维的择优水平方向排列，这些纳米纤维复合膜面临着严重的转移各向异性，垂直向的电导率通常远低于水平向的电导率。而在实际应用中，决定燃料电池性能的则是垂直向质子电导率。

发明内容

针对上述背景技术存在的问题，本发明的目的在于制备一种高性能复合质子交换膜，能够减少质子传递各项异性，增加垂直向质子传导率从而增强燃料电池性能。通过溶液浇铸法制备了以多刺氧化铝纳米纤维为填料，磺化聚砜为基质的复合质子交换膜。该复合膜大大增强了质子传导率和机械稳定性，降低了质子转移各项异性和甲醇渗透率，有效提高了燃料电池的性能。