[发明专利]一种中空纤维加湿膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种中空纤维加湿膜及其制备方法和应用，属于功能高分子和电化学技术领域。本发明以聚合物为有机连续相，引入二维纳米片作为分散相，通过聚合物预先包覆二维纳米片形成纺丝液，然后采用干‑湿相转化法经牵伸一步制备中空纤维加湿膜，二维纳米片嵌入聚合物基质中，可以提供气体渗透孔道，这些孔道可有效降低水蒸气在膜中的传质阻力，提供超快渗透路径来增强水蒸气传输，此外，二维纳米片具有亲水官能团，水通道加上亲水官能团的存在为水蒸气的吸附提供了更多的活性位点。本发明制备的中空纤维加湿膜具备高透水性、抗菌性、高阻气性、高强度和耐高温的优势，适用于燃料电池加湿系统，且原料价格低廉，方法简便，成本低。

技术领域

本发明涉及功能高分子和电化学技术领域，尤其涉及一种中空纤维加湿膜及其制备方法和应用。

背景技术

气流的加湿化被用于许多过程中。燃料电池加湿是众所周知的气体加湿应用的例子。燃料电池是一种新型清洁能源装置，具有反应产物简单、绿色和安全的特点。通常，质子交换膜燃料电池主要包括质子交换膜、催化剂层、扩散层、流场板、集流板和端板等；其中，质子交换膜是燃料电池的核心部件，起到传递质子及隔绝阴阳极燃料气体相互渗透的作用。使用质子交换膜的燃料电池，水的管理对燃料电池的导电性和稳定性至关重要。如果膜太干燥，质子电导就会降低，导致电阻损失增加，从而降低功率输出。另一方面，燃料电池组件中过多的水会导致阴极水淹，进而导致气体流动通道堵塞。因此，保持反应气体湿度在100～600mg/L，以避免脱水和水淹是至关重要的。目前应用于质子交换膜燃料电池的增湿技术可分为内增湿、外增湿和自增湿。内增湿是指将水直接通过水泵带入到电堆中，再将带入的水根据内部结构进行分配实现加湿。外增湿是指在反应气体进入电堆前，通过外部附加的加湿设备对其增湿。而自增湿是指阴极在反应过程中生成水保持一定的湿度，而阳极则干燥，阳极与阴极形成浓度差，水向阳极扩散，在这个过程中反应气体得到加湿。

对于质子交换膜燃料电池系统，外部加湿法是质子交换膜燃料电池的增湿技术中比较常见的方法。膜加湿技术作为主要的外增湿方式是目前阴极加湿常采用的技术，具有增湿量大、稳定、结构简单和易于操作的特点。膜加湿技术的核心是加湿膜，燃料电池用加湿膜要求具有良好的水通过性和阻气性，故Nafion膜等加湿膜对膜增湿器十分适用，然而Nafion膜的价格较为昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中空纤维加湿膜及其制备方法和应用，促进了高分子膜在质子交换膜燃料电池方面的应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种中空纤维加湿膜的制备方法，包括以下步骤：

将聚合物、二维纳米片、亲水性添加剂、抗菌性材料和极性有机溶剂混合，得到纺丝液；所述二维纳米片含有亲水官能团；

采用干-湿相转化法将所述纺丝液自喷头挤出，同时将芯液通入所述喷头的插入管中，依次进行纺丝和牵伸，得到初生中空纤维膜；

将所述初生中空纤维膜进行凝胶固化后，得到中空纤维加湿膜。

优选的，所述聚合物包括聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚酮、磺酸树脂和聚偏氟乙烯中的一种或几种。

优选的，所述二维纳米片包括磺化氧化石墨烯纳米片、氨基硅烷改性氧化石墨烯纳米片、多巴胺-g-羧基氧化石墨烯纳米片、氟化铈纳米片和离子液体-氟化铈多孔纳米片中的一种或几种。

优选的，所述亲水性添加剂包括PEG、PVP、PVA、乙二醇和丙三醇中的一种或几种。

优选的，所述聚合物在纺丝液中的浓度为10～40wt％，所述二维纳米片的质量为所述聚合物与二维纳米片总质量的0.1～30％，所述亲水性添加剂的质量为所述纺丝液总质量的0.5～10％。