Protonuitwisselingsmembraan (PEM) productieproces

ProtonuitwisselingsmembraanVan brandstofcellen (PEMFC) kan worden gezegd dat het het "omgekeerde" apparaat van waterelektrolyzer is. Waterelektrolyse maakt gebruik van een externe stroombron om water te elektrolyzeen om waterstof en zuurstof te produceren; Brandstofcellen zijn een proces waarbij waterstof en zuurstof elektrochemisch reageren om water te produceren en tegelijkertijd elektriciteit te genereren. PEMFC heeft twee polen, waterstofelektrode en zuurstofelektrode, waarin deprotonuitwisselingsmembraandient als de elektrolyt.

Picture Proton Exchange Membraan Bron: Gore

Daarom,Proton Exchange Membrane (PEM)is een van de kernbasismaterialen van protonuitwisselingsmembraanbrandstofcel (PEMFC), en de prestaties bepalen de prestaties en de levensduur van de batterij. Om een ​​efficiënte en stabiele werking van waterstofbrandstofcel te bereiken, is het protonuitwisselingsmembraan vereist om een ​​hoge protonengeleidbaarheid, goede thermische en chemische stabiliteit, hoge mechanische sterkte en duurzaamheid te hebben.

Stel je voor hoe het proton -uitwisselingsmembraan werkt

Het productieproces vanprotonuitwisselingsmembraanheeft direct invloed op de prestaties van het membraan. Momenteel zijn er twee hoofdproductieprocessen: smeltproces en oplossingsproces.

Ten eerste, smeltmembraanvormingsmethode

Smeltmembraanvormingsmethode, ook wel smeltuitstromingsmethode genoemd, is de eerste methode die wordt gebruikt om PFSA te bereidenprotonuitwisselingsmembraan. Het voorbereidingsproces is om de hars te smelten door extrusie -gieten of rollen in een membraan, na de transformatiebehandeling om het eindproduct te krijgen. Het smelt -extrusieproces werd eerst commercieel geproduceerd door DuPont, en de Aquivion -producten van Solvay gebruiken een soortgelijk proces met behulp van korte zijketen perfluorosulfonzuur (PFSA) als een grondstof.

Het membraan dat volgens deze methode is bereid, heeft een uniforme dikte, goede prestaties en hoge productie -efficiëntie, die geschikt is voor massaproductie van dik membraan, en het productieproces hoeft geen oplosmiddel te gebruiken en is milieuvriendelijk.

Het nadeel is dat enerzijds vanwege de kenmerken van het proces de smelt -extrusiemethode niet kan worden gebruikt om membranen te produceren en het probleem van de kosten van PFSA -protonmembraan niet effectief kan oplossen; Aan de andere kant moet het membraan dat wordt gemaakt door extrusiemolken de hydrolysetransformatie ondergaan om het eindproduct te krijgen, en het is moeilijk om het gladde membraan in dit proces te behouden. Gezien de bovenstaande problemen kunnen niet fundamenteel worden opgelost, vertoont het onderzoek en de toepassing van de smeltmethode op het gebied van protonuitwisselingsmembraan een dalende trend.

Ten tweede, methode voor het vormen van oplossingsmembraan

Oplossingsmembraanvormingmethode is de mainstream -methode die wordt gebruikt in wetenschappelijk onderzoek en commerciële producten. Het wordt ongeveer als volgt bereid: het polymeer en de modificator worden opgelost in het oplosmiddel na het gieten of gieten, en uiteindelijk na het drogen om het oplosmiddel te verwijderen om een ​​membraan te vormen. Oplossingsmembraanvormingmethode is geschikt voor de meeste harssystemen, gemakkelijk te bereiken hybride modificatie en microstructuurontwerp, en kan ook worden gebruikt om ultradunne membranen te bereiden, dus het heeft veel aandacht getrokken.

Oplossingsmembraanvormingsmethode kan verder worden onderverdeeld in de gietmethode van de oplossing, de gietmethode van de oplossing en de sol-gelmethode volgens het verschil van het laatste proces.

1. Oplossingsgietmethode

Het gieten van de oplossing is om de polymeeroplossing rechtstreeks in de platte vorm te werpen en het oplosmiddel te laten vervluchtigen om een ​​membraan bij een bepaalde temperatuur te vormen. Deze methode is eenvoudig en gemakkelijk te gebruiken en wordt voornamelijk gebruikt voor laboratoriumbasisonderzoek en pre-commerciële formulering en procesoptimalisatie.

2. Diffusiemethode voor oplossing

Oplossingsgietmethode is een uitbreiding van de gietmethode van oplossingen, die kan worden gebruikt voor grootschalige continue productie, dus de huidige commerciële producten (voornamelijk PFSA-protonuitwisselingsmembranen) gebruiken meestal de castingmethode voor oplossingen.

Oplossing gietmethode kan continue productie bereiken via roll-to-roll proces, voornamelijk inclusief harsoplossingstransformatie, oplossing gieten, droge membraanvorming en andere processen, vergeleken met de extrusiemethode van de smelt, het proces is langer, complexer, oplosmiddel moet worden hersteld, maar het voordeel is dat de productprestaties beter zijn en de membraandikte dunner is.

De belangrijkste productiebedrijven zijn: het Verenigde Staten Gore Gore-Select Series Membrane, DuPont tweede/derde generatie Nafion-membraan, Asahi Kasei Acflex Membraan, Asahi Glass Flemion Membraan, Dongyue-groep, enz.

3. Sol-gelmethode

Sol-gelmethode wordt meestal gebruikt om organische anorganische composietmembranen te bereiden. Sol-gelproces wordt gebruikt om uniforme dispersie van anorganische vulstoffen in polymeermatrix te bereiken.

Het eenvoudige bereidingsproces is als volgt: het pre-voorbereide polymeerhomogene membraan wordt gezwollen en geweekt in een klein molecuul-oplosmiddel opgelost met alkolen (Si, Ti, ZR, enz.), En het anorganische oxide is in-situ gedoteerd in het membraan door het SOL-GEL-proces om het composietmembraan te verkrijgen. De prestaties van het op deze manier gemaakt organische anorganische composietmembraan zijn over het algemeen beter dan die van het directe oplossing voor het mengen van membraan, en de waterstofbrandstofcel die van dit membraan is gemaakt, kan nog steeds een stabiele operatie behouden bij 130 ℃ hoge temperatuur, maar het kan niet op grote schaal continue productie van het membraan bereiken.