一種平板式透溼膜及其製備方法
2023-12-05 13:47:11
一種平板式透溼膜及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種平板式透溼膜及其製備方法。該平板式透溼膜由全氟磺酸離子交換樹脂和高吸水性塑料短纖維複合製備而成，其中樹脂為連續相、纖維為分散相，且20～90%的高吸水性塑料短纖維的端部會露出平板式透溼膜靠近溼氣或水的一側。本發明的平板式透溼膜機械強度高，適用於高壓差條件下氣體的增溼或乾燥，且具備高溼氣透過率及良好的氣體阻隔性，尤其適用於燃料電池的氣體增溼系統。
【專利說明】一種平板式透溼膜及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種平板式透溼膜及其製備方法，具體地說是一種在燃料電池增溼系 統中應用的平板式透溼膜及其製備方法，屬於功能膜【技術領域】。
【背景技術】
[0002]透溼膜是航天航空、醫療設備及新能源汽車重要部件的關鍵材料。透溼膜屬於親 水性膜，膜的種類可以是有機膜或無機膜，膜的形態可以是平板式，也可以是具有很高裝 填密度的中空纖維式。其應用主要是利用了該功能薄膜具有強親水基團，通過吸溼傳導，從 而具有透溼的功能。
[0003]質子交換膜燃料電池具有環保、高效、啟動速度快、功率密度大等優點，被認為是 未來交通動力系統的主要競爭者之一。質子交換膜只有在適當溼潤條件下燃料電池才能獲 得良好的工作性能。燃料電池空氣和氫氣進氣都需要被增溼以防止質子交換膜脫水降低電 池性能及工作壽命，使燃料電池得以高效工作。
[0004]滲透膜增溼器是目前燃料電池中最常用的大功率增溼器，這種增溼器所用的膜有 很多種:微濾膜、超濾膜、反滲透膜、TESLINi膜、NAFIONi膜和G0RE-TEX0膜。其中以傳統 的NAF10N@膜最為常見。目前，該材料幾乎全部是採用DuPont公司生產的Nafionl 15膜、 Nafionll7膜或Nafion212膜。Nafion膜為全氟磺酸膜，其價格昂貴成為該類增溼膜的一 個主要發展障礙，因此降低成本或開發效率更高的產品為全氟磺酸類透溼膜的一個發展趨 勢。
[0005]中國專利文獻CN1621136A (申請號200310119265.5)公開了一種纖維素中空纖維 氣體增溼膜，但該類膜為溼法紡制，存在溶劑回收等繁雜工藝，且透溼效果及使用壽命方面 與全氟磺酸類膜還存在較大差距。
[0006]也有文獻嘗試將碳氫類的滲透膜應用於燃料電池增溼系統，但由於水在膜中的擴 散通量受擴散係數以及膜兩側濃度差的限制，一旦選定了某種膜增溼器，其中水的擴散通 量就會被限制在一定範圍之內，對於車載的大功率燃料電池而言，所需要的膜增溼器一般 體積較大，且膜增溼器的系統動態響應慢，難以實現增溼量的精確控制；長時間使用之後膜 容易破損，造成串氣。
【發明內容】
[0007]本發明針對現有技術的不足，提供一種在高壓差條件下具有更高水通量、低氣體 滲透、高強度的平板式透溼膜，更適用於燃料電池的氣體增溼系統。同時，提供該透溼膜的 製備方法，該方法工藝簡單、易操作、無汙染。
[0008]術語說明:
[0009]全氟磺酸離子交換樹脂，具有下式I所示的結構通式:
[0010]
【權利要求】
1.一種平板式透溼膜，其特徵在於，由全氟磺酸離子交換樹脂和高吸水性塑料短纖維 共混複合製備而成的平板形狀的透溼膜，透溼膜厚度為20?500微米，透溼膜為兩相疏鬆 結構，其中全氟磺酸離子交換樹脂為連續相，高吸水性塑料短纖維為分散相，所述的分散相 佔平板式透溼膜總質量的質量百分數為2?40%，20?90%的高吸水性塑料短纖維的端部 露出平板式透溼膜靠近溼氣或水的一側。
2.如權利要求1所述的平板式透溼膜，其特徵在於，所述的全氟磺酸離子交換樹脂的 離子交換容量為0.8?1.8mmol/g0
3.如權利要求1所述的平板式透溼膜，其特徵在於，所述的高吸水性塑料短纖維選自 天然高分子改性吸水塑料短纖維、聚丙烯酸系列高吸水性塑料短纖維、聚丙烯脂系列高吸 水性塑料短纖維、聚乙烯醇系列高吸水性塑料短纖維或聚環氧乙烯、異丁烯順酐類高吸水 性塑料短纖維之一或兩者以上的混合物。
4.如權利要求3所述的平板式透溼膜，其特徵在於，所述的高吸水性塑料短纖維選自 聚丙烯酸系列高吸水性塑料短纖維、聚丙烯脂系列高吸水性塑料短纖維、聚乙烯醇系列高 吸水性塑料短纖維或聚環氧乙烯、異丁烯順酐類高吸水性塑料短纖維之一或兩者以上的混 合物。
5.如權利要求1所述的平板式透溼膜，其特徵在於，所述的高吸水性塑料短纖維的長 度為5?100mm，粗細為10?100旦。
6.如權利要求5所述的平板式透溼膜，其特徵在於，所述的高吸水性塑料短纖維的長 度為10?50mm。
7.—種權利要求1所述平板式透溼膜的製備方法，其特徵在於，步驟如下:1)按比例稱取全氟磺酸離子交換樹脂和高吸水性塑料短纖維，採用雙螺杆擠出機在 180?280°C條件下進行共混造粒，製得共混粒料；2)將步驟I)製得的共混粒料加入到單螺杆擠出機中，在180?280°C條件下進行熔融 塑化，熔體通過T型模具流延擠出，經過牽伸、冷卻後成型，製得平板膜；所述T型模具的成型流道的平板式透溼膜靠近溼氣或水的一側的成型面的粗糙度為 Ra 3.2、6.3或12.5 iim，另一側的成型面的粗糙度為Ra 0.005 u m ；3)將步驟2)製得的平板膜轉化為氫型功能膜，製得平板式透溼膜。
8.如權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)中的轉化，步驟如下:將步驟2)製得的平板膜在85?95°C、質量百分濃度10?20%的氫氧化鈉溶液中浸泡100?200小時，之後採用質量百分濃度3?8%的硫酸溶液清洗2?3遍，然後在85? 95°C、質量百分濃度4?9%的硫酸溶液中浸泡2?3次，每次10?15小時，最後用純淨水 清洗2?4遍後再浸泡在85?95°C的純水中，每隔2?3小時換一次水，直至純水呈中性， 製得平板式透溼膜。
9.權利要求1所述平板式透溼膜在製備燃料電池組增溼系統中的應用。
【文檔編號】H01M8/04GK103551058SQ201310517322
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】王婧, 趙寬, 宗少傑, 王學軍 申請人:山東東嶽高分子材料有限公司