[发明专利]一种有序纳米纤维质子交换膜及其制备方法与应用

说明书

一种有序纳米纤维质子交换膜及其制备方法与应用，所述有序纳米纤维质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：（1）制备纺丝液；（2）静电纺丝；（3）热压处理。本发明还包括有序纳米纤维质子交换膜及其应用。本发明能够有效在膜内部形成有序的质子传递通道，质子电导率更高；纤维膜的比表面积大，便于吸附磷酸等其它高温质子载体；本发明通过热压处理使得纤维膜受压均匀，有效提高了纤维膜的耐热性和力学强度，所得纤维膜在400°C以下不发生明显失重，延长了纤维膜的使用寿命；在150°C下的质子电导率达到0.155 S cm^‑1；工艺过程简单、便于实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜及其制备方法与应用，具体涉及一种纳米纤维质子交换膜及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，高温质子交换膜燃料电池技术正收到广泛关注。高温质子交换膜燃料电池的使用温度范围为100-200 ℃，质子传导的介质是水或非水的质子溶剂。其优点在于：（1）在高温条件下，电极反应动力学系数和燃料的扩散速率提高；（2）高温燃料电池不需要低温燃料电池中的高相对湿度环境，因此燃料电池中的水循环系统可得以简化；（3）由于冷却剂和燃料电池堆之间的温差变大，冷却系统简化；（4）高温条件下，可以减少一氧化碳在催化剂表面的吸附，从而提高催化剂对一氧化碳的耐受力，有利于防止催化剂中毒。质子交换膜是影响燃料电池性能的关键组件之一，起到阻隔燃料、透过质子的作用。高性能的质子交换膜不仅需要具备高的质子电导率，而且还需保持低的燃料渗透率、低溶胀率及良好的力学性能。

目前国内应用最广泛的质子交换膜是以美国杜邦公司开发的Nafion为代表的全氟磺酸膜。然而，这种商用质子交换膜目前绝大部分依赖于进口，成本极其高昂；同时Nafion在温度超过80 °C时便发生降解，使得质子电导率与力学性能迅速下降，且燃料渗透率变高，严重限制燃料电池的耐久性和工作性能。因此，目前迫切需要开发高性能、低成本、强可靠性的新型质子交换膜，拓宽燃料电池的应用领域。

CN111952599A公开了一种高稳定性质子交换膜燃料电池纳米纤维电极及其制备方法与应用，首先将催化剂浆料静电纺丝制备纳米纤维结构催化层，然后对纳米纤维催化层热处理以提高其结构稳定性，最后将纳米纤维催化层通过热压的方式转印至质子交换膜的一侧或两侧制备成纳米纤维电极。

CN104716348A公开了一种纳米纤维网络结构电极及其制备方法和应用，所述纳米纤维网络结构电极，包括气体扩散层或质子交换膜，基于气体扩散层或质子交换膜的纳米纤维网络结构催化层；纳米纤维网络结构催化层附着于气体扩散层或质子交换膜一侧表面，且微观上具有纳米纤维网络结构。

CN108075141A 公开了一种直接制备质子交换膜燃料电池用铂单原子层催化层的方法，催化层通过静电纺丝技术，先直接制备Pd/C催化层，粘结剂可以选为聚丙烯酸等聚合物高分子，然后在三电极体系中，采用欠电位沉积的方法在Pd/C催化层上沉积单原子层Cu，再置换得到单原子层的Pt，最终制备Pd/C。

以上方法依然需要使用Nafion溶液作为纺丝液的组成部分，不能解决含Nafion的质子交换膜在高温条件下降解的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种耐100-150 °C的高温，并在该温度条件下的质子电导率好的有序纳米纤维质子交换膜及其制备方法与应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种有序纳米纤维质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备纺丝液：将PVP（聚乙烯吡咯烷酮）与PVDF（聚偏二氟乙烯）混合，加入溶剂中混合制备纺丝液；

（2）静电纺丝：将所述纺丝液置于注射器中，注射器针头与高压电源正极相连，辊筒接收器与高压电源负极连接，进行静电纺丝；接收器表面使用铝箔进行接收，纺丝完成后将所得纤维膜从铝箔表面取下；

（3）热压处理：将（2）中所得纤维膜进行热压处理，即成。