[发明专利]一种纤维管式透湿膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维管式透湿膜及其制备方法，具体地说是一种在燃料电池增湿系统中应用的纤维管式透湿膜及其制备方法，属于功能膜技术领域。

背景技术

透湿膜是航天航空、医疗设备及新能源汽车重要部件的关键材料。透湿膜属于亲水性膜，膜的种类可以是有机膜或无机膜，膜的形态可以是平板式，也可以是具有很高装填密度的中空纤维式。其应用主要是利用了该功能薄膜具有强亲水基团，通过吸湿传导，从而具有透湿的功能。

质子交换膜燃料电池具有环保、高效、启动速度快、功率密度大等优点，被认为是未来交通动力系统的主要竞争者之一。质子交换膜只有在适当湿润条件下燃料电池才能获得良好的工作性能。燃料电池空气和氢气进气都需要被增湿以防止质子交换膜脱水降低电池性能及工作寿命，使燃料电池得以高效工作。

渗透膜增湿器是目前燃料电池中最常用的大功率增湿器，这种增湿器所用的膜有很多种：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、TESLIN@膜、NAFION@膜和GORE-TEX@膜。其中以传统的NAFION@膜最为常见。目前，该材料几乎全部是采用DuPont公司生产的Nafion115膜和Nafion117膜。Nafion膜为全氟磺酸膜，其价格昂贵成为该类增湿膜的一个主要发展障碍，因此降低成本或开发效率更高的产品为全氟磺酸类透湿膜的一个发展趋势。

中国专利文献CN1621136A（申请号200310119265.5）公开了一种纤维素中空纤维气体增湿膜，但该类膜为湿法纺制，存在溶剂回收等繁杂工艺，且透湿效果及使用寿命方面与全氟磺酸类膜还存在较大差距。

也有文献尝试将碳氢类的渗透膜应用于燃料电池增湿系统，但由于水在膜中的扩散通量受扩散系数以及膜两侧浓度差的限制，一旦选定了某种膜增湿器，其中水的扩散通量就会被限制在一定范围之内，对于车载的大功率燃料电池而言，所需要的膜增湿器一般体积较大，且膜增湿器的系统动态响应慢，难以实现增湿量的精确控制；长时间使用之后膜容易破损，造成串气。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种在高压差条件下具有更高水通量、低气体渗透、高强度的纤维管式透湿膜，该膜更适用于燃料电池的气体增湿系统。同时，提供该透湿膜的制备方法，该方法工艺简单、易操作、无污染。

术语说明

全氟磺酸离子交换树脂，具有下式I所示的结构通式：

式I中：M为功能基团－SO₂F，x=2～10，y=1，n＝0或1，m＝1～5；当n＝0时为短链树脂，n＝1时为长链树脂。

高吸水性塑料短纤维，是指分子中含有羟基等强吸水基团并具有一定交联度的功能性高分子材料短纤维，具有吸水性高、保水性好的特性。

以上所述的全氟磺酸离子交换树脂和高吸水性塑料短纤维，均为现有技术，可市场购买，也可以按现有技术制备。

本发明的技术方案如下：

一种纤维管式透湿膜，其特征在于，由全氟磺酸离子交换树脂和高吸水性塑料短纤维共混复合制备而成的横截面为圆环形的管状的透湿膜，透湿膜外径为1.0～1.6mm、内径为0.6～1.2mm、厚度为20～500微米，透湿膜为两相疏松结构，其中全氟磺酸离子交换树脂为连续相，高吸水性塑料短纤维为分散相，所述的分散相占纤维管式透湿膜总质量的质量百分数为2～40%，20～90%的高吸水性塑料短纤维的端部露出纤维管式透湿膜靠近湿气或水的一侧。

所述的透湿膜，由于是树脂和纤维的复合材料，因此整体结构相对于均质膜来说较为疏松，疏松的结构更有利于水汽的传递。

所述的20～90%高吸水性塑料短纤维的端部露出纤维管式透湿膜靠近湿气或水的一侧，目的在于外露的短纤维端部会迅速的吸收湿气中的水份，并将其引入膜体内部，增强全氟磺酸离子交换树脂连续相的水饱和度，当膜的含水量越高时，透湿效率就会越高；而靠近干气的一侧不允许短纤维端部外露，原因在于防止短纤维连通纤维管式透湿膜内外壁，从而导致干气一侧出现水滴。

当分散相占纤维管式透湿膜总质量的质量百分数低于2%时，高吸水性塑料短纤维的增强作用就不明显，而当分散相占纤维管式透湿膜总质量的质量百分数高于40%时，短纤维易于团聚成纤维团，分散性变差，水汽的透过效果会减弱，且会形成应力集中而影响管膜强度。

透湿膜厚度太低，会造成膜体强度过低；厚度太高，导致制膜成本显著增加，且会增加膜的透湿阻力。

根据本发明优选的，所述的全氟磺酸离子交换树脂的离子交换容量为0.8～1.8mmol/g。