[发明专利]一种纤维增强阴离子交换膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种利用聚合物做为增强纤维穿插于膜中的阴离子交换膜及其制备方法，属于高分子材料制备领域。利用高压静电将分别来自两个纺丝管的含苄基卤素的聚合物和作为增强纤维的聚合物分别制备成纤维，并在同一接收辊上同时接收两种纤维，形成两种纤维互相交织的纤维毡。该纤维毡经过溶剂蒸汽处理后形成一种具有纤维增强结构的致密复合纤维膜，进一步将含苄基卤素的聚合物和亲核试剂反应得到纤维增强阴离子交换膜。本发明所制备的纤维增强阴离子交换膜结构均匀，尺寸稳定性好。本发明提供的方法适用于制备多种复合纤维膜，其制备方法简单，效果显著，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强阴离子交换膜，本发明还涉及一种将聚合物增强纤维均匀分布在膜中的方法。

背景技术

燃料电池中电荷从产生他们的电极移动到消耗他们的电极使整个电路完整，而电荷传输的驱动力主要来源于电势梯度，这将导致燃料电池产生电压损失。阴离子交换膜燃料电池中电荷传输主要是以两种形式：电子和氢氧根离子。氢氧根离子的质量远大于电子，因此氢氧根离子的传输远比电子电荷的传输困难，相较于氢氧根离子传输造成的电压损失，电子传输造成的电压损失可以被忽略。

氢氧根离子传输造成的电压损失符合欧姆定律，也称为欧姆损失。由欧姆定律可知，燃料电池的电压损失与工作电流和欧姆内阻成正比关系。

即

η_ohmic＝i·R_ohmic (1.1)

将电流密度公式带入式1.1可以重写为

η_ohmic＝j·A·R_ohmic (1.2)

忽略电子传输的欧姆阻抗，将电解质膜内阻公式带入式1.2可以重写为

η_ohmic＝j·A·(L/Aσ)＝j·L/σ (1.3)

其中L/σ为面积归一化的电阻，即为面积比电阻(ASR)。从式1.3可以看出，在给定电流密度的情况下，电荷传输的电压损失与电解质膜的ASR正相关，因此降低电解质膜ASR能够有效改善电池性能。显而易见，将电解质膜厚度减薄和提高电解质膜氢氧根离子传导率对改善阴离子交换膜燃料电池性能至关重要。

车辆运行时需要执行启/停操作，启/停操作引起电解质膜内水含量(电解质膜体积)发生对应的周期性改变，电解质膜体积相应变化诱导电解质膜经历循环变化的机械应力。在这种循环载荷下，膜产生应力疲劳，加速了膜的物理失效。对于薄膜来说，相同的循环载荷下，耐久性更短。

为提升阴离子交换膜的耐久性，具有功能的第二组分，例如多孔PTFE，被尝试应用在阴离子交换膜的改型中。这种复合膜线性膨胀系数非常小，外界环境对其体积改变程度大大削弱，电解质膜的耐久性相应提高。但由于PTFE本身的特性，阴离子交换膜溶液很难进入多孔PTFE的内部，复合膜内存在大量的孔隙，同时呈现“三明治”分层结构。

ShahramMehdipour-Atae[RSC Advances,2015,5]报道了磺化聚芳醚酮纤维增强膜的制备方法，该技术利用静电纺丝技术将磺化聚芳醚酮和聚芳醚砜分别纺丝，并在同一个基底上收集得到复合纤维毡，然后利用全磺化聚芳醚酮具有较低热熔融温度的特性，将全磺化聚芳醚酮纤维在高温和压力的作用下转变成一个连续、透明、致密的膜。这种方法制备的纤维增强膜非常均匀，聚醚砜增强纤维均匀分布在质子交换膜整体结构中。该文献报道的方法要求成膜的主体材料具有较低的热熔融温度，此外对热压仪器的精度要求也非常高。

为降低阴离子交换膜的线性膨胀系数，提高膜耐久性，并开发适合制备纤维增强阴离子交换膜的制备技术，本发明阐释了一种新型制备纤维增强阴离子交换膜的方法，这种方法制备的新型制备纤维增强膜非常均匀，增强纤维均匀分布在阴离子交换膜整体结构中，且不存在分层或明显缺陷。

发明内容