[发明专利]一种高强度亲水型中空纤维膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种高强度亲水型中空纤维膜及其制备方法和应用，制备方法包括：将聚砜类高分子、磺化聚砜类高分子和有机溶剂混合形成第一均相液；再将酸酯类强化剂加入第一均相液搅拌得到均相铸膜液；铸膜液通过喷丝头形成中空纤维状初生膜丝，并在凝固浴和芯液辅助下冷却定型；最后利用去离子水对中空纤维膜进行萃取，干燥后得到高强度亲水型中空纤维膜。本发明利用酸酯类强化剂促进高分子链段间的相互作用，从而增加了以聚砜类高分子和磺化聚砜类高分子链段为主体基质的中空纤维膜的机械强度。同时，酸酯类强化剂调节膜内外表面的相分离过程，赋予膜致密亲水表面‑双层指状孔截面的多级结构。拓展了高分子膜机械性质与亲水性质协同强化的途径。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种高强度亲水型中空纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为最成熟的燃料电池之一，具有工作温度低、电流密度大、响应速度快等优点，具有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池能效的发挥不仅受其组成元件结构和性能影响，而且还取决于运行中对湿度的控制效果。当PEMFC发电运行时，电化学反应产生的氢质子须结合一定数量的水分子方可进行质子传导。以Nafion膜为例，当膜内磺酸根结合的水分子过少，膜难以有效运行。作为对比，当Nafion膜内水含量适中，膜内单个基团结合水分子数量大于4，此时Nafion膜电导率可达到最佳值，其内阻亦会降至较低水准。因此，质子交换膜含水量的控制，即水管理，被视为决定电池的欧姆电压损失和扩散层含水量的关键过程，并显著地影响电池性能。为确保质子交换膜良好的质子传导性能，需开发特定的加湿技术，以进行质子交换膜的有效水管理过程，从而保证质子交换膜的工作状态。

以中空纤维膜制备的增湿器是目前运营的燃料电池汽车采用的主流方案。一方面，中空纤维膜可充分保证水气交换的接触面积，改善增湿过程的效率；另一方面，单位水气交换面积下，中空纤维仅需较小的组件装填体积，有利于电池系统的成本控制和空间设计。尽管如此，增湿过程仍对中空纤维膜提出了巨大挑战。在增湿过程中，特别是大功率增湿(高于80kW)，湿侧水蒸气以错流的方式冲击中空纤维膜，膜管局部集中的剪切力易导致膜管断裂，从而产生的大规模内漏现象，极大的削弱了电池系统运行效率。同时，随着加湿器集成到电池系统并实际应用于各种交通工具上，交通工具在行驶过程中强烈持续的震动必然会对加湿器的中空纤维膜机械稳定性产生影响。

因此，开发高强度中空纤维膜，保证增湿器的稳定高效运行，对于发展燃料电池系统的终端应用至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高强度亲水型中空纤维膜及其制备方法和应用，利用酸酯类强化剂优化聚砜类高分子和磺化聚砜类高分子基质的链段相互作用，增加了膜的机械强度，保证了膜的增湿稳定性。同时，酸酯类强化剂的加入可协调铸膜液成型过程中的相分离过程，赋予中空纤维膜致密亲水表面-双层指状孔支撑层的多级结构，进一步保证增湿效率。

具体发明内容如下：

第一方面，本发明提供一种高强度亲水型中空纤维膜的制备方法，所述制备方法包括：

S1、将聚砜类高分子、磺化聚砜类高分子和有机溶剂在20-80℃下混合搅拌，形成第一均相液；

S2、将酸酯类强化剂缓慢加入第一均相液，搅拌、25℃下静置脱泡得到稳定的均相铸膜液；

S3、均相铸膜液通过喷丝头形成中空纤维状初生膜丝，初生膜丝在凝固浴和芯液辅助下冷却定型，得到膜前体；

S4、用25℃去离子水对膜前体进行萃取处理，干燥萃取处理后的膜前体，得到所述高强度亲水型中空纤维膜。

可选地，步骤S1中，所述聚砜类高分子为聚砜、聚醚砜和聚苯砜的任意一种；

所述磺化聚砜类高分子为磺化聚砜、磺化聚醚砜和磺化聚苯砜的任意一种；