Produktionsprocessen Proton Exchange Membrane (PEM)

ProtonudvekslingsmembranBrændselsceller (PEMFC) kan siges at være den "omvendte" enhed af vandelektrolysator. Vandelektrolyse bruger en ekstern strømkilde til at elektrolysere vand til at producere brint og ilt; Brændselsceller er en proces, hvor brint og ilt reagerer elektrokemisk for at producere vand og generere elektricitet på samme tid. PEMFC har to poler, brintelektrode og iltelektrode, hvorProtonudvekslingsmembrantjener som elektrolyt.

Picture Proton Exchange Membrane Source: Gore

Derfor,Proton Exchange Membrane (PEM)er et af de grundlæggende basismaterialer i protonudvekslingsmembranbrændselscelle (PEMFC), og dens ydelse bestemmer batteriets ydelse og levetid. For at opnå effektiv og stabil drift af brintbrændselscelle kræves det, at protonudvekslingsmembranen har høj protonledningsevne, god termisk og kemisk stabilitet, høj mekanisk styrke og holdbarhed.

Forestil dig, hvordan protonudvekslingsmembranen fungerer

Produktionsprocessen forProtonudvekslingsmembranpåvirker direkte membranens ydeevne. På nuværende tidspunkt er der to hovedproduktionsprocesser: smeltningsproces og løsningsproces.

Smelt først membranformningsmetode

Smeltemembranformningsmetode, også kaldet Melt Extrusion Method, er den første metode, der bruges til at fremstille PFSAProtonudvekslingsmembran. Forberedelsesprocessen er at smelte harpiksen gennem ekstruderingsstøbning eller rulle til en membran efter transformationsbehandlingen for at få det endelige produkt. Smeltekstruderingsprocessen blev først kommercielt produceret af DuPont, og Solvays Aquivion -familie af produkter bruger en lignende proces ved hjælp af kort sidekæde perfluorosulfonsyre (PFSA) som et råmateriale.

Membranen fremstillet ved denne metode har ensartet tykkelse, god ydeevne og høj produktionseffektivitet, som er velegnet til masseproduktion af tyk membran, og produktionsprocessen behøver ikke at bruge opløsningsmiddel og er miljøvenlig.

Ulempen er, at på den ene side på grund af egenskaberne ved processen kan smelteekstruderingsmetoden ikke bruges til at producere membraner og ikke effektivt kan løse problemet med omkostningerne ved PFSA -protonmembran; På den anden side skal membranen fremstillet ved ekstruderingstøbning gennemgå hydrolysetransformation for at få det endelige produkt, og det er vanskeligt at opretholde den glatte membran i denne proces. I betragtning af ovenstående problemer kan ikke løses grundlæggende, viser forskningen og anvendelsen af ​​smeltemetoden inden for protonudvekslingsmembran en faldende tendens.

For det andet, opløsningsmembranformningsmetode

Opløsningsmembranformningsmetode er den almindelige metode, der bruges i videnskabelig forskning og kommercielle produkter. Det er groft forberedt som følger: polymeren og modifikatoren opløses i opløsningsmidlet efter støbning eller støbning, og til sidst efter tørring for at fjerne opløsningsmidlet for at danne en membran. Opløsningsmembranformningsmetode er velegnet til de fleste harpikssystemer, let at opnå hybridmodifikation og mikrostrukturdesign og kan også bruges til at fremstille ultratynde membraner, så det har tiltrukket meget opmærksomhed.

Opløsningsmembranformningsmetode kan yderligere opdeles i opløsningsstøbningsmetode, opløsningsstøbningsmetode og sol-gel-metode i henhold til forskellen i sidstnævnte proces.

1. løsningsstøbningsmetode

Løsningsstøbningsmetode er at støbe polymeropløsningen direkte i den flade form og gøre opløsningsmidlet volatilisere til at danne en membran ved en bestemt temperatur. Denne metode er enkel og let at bruge og bruges hovedsageligt til laboratoriebaseret forskning og pre-kommerciel formulering og procesoptimering.

2. løsningsdiffusionsmetode

Løsningsstøbningsmetode er en udvidelse af opløsningsstøbningsmetode, der kan bruges til storskala kontinuerlig produktion, så de nuværende kommercielle produkter (hovedsageligt PFSA-protonudvekslingsmembraner) for det meste bruger opløsningsstøbningsmetode.

Løsningsstøbningsmetode kan opnå kontinuerlig produktion gennem rulle-til-rulle-proces, hovedsageligt inklusive harpiksopløsningstransformation, opløsningsstøbning, tør membrandannelse og andre processer, sammenlignet med smelteekstruderingsmetode, dens proces er længere, mere kompleks, opløsningsmiddel skal genvindes, men fordelen er, at produktets ydelse er bedre, og membranetykheden er tyndere.

De vigtigste produktionsselskaber er: De Forenede Stater Gore Gore-Select Series Membrane, DuPont Second/Third Generation Nafion Membrane, Asahi Kasei Acflex Membrane, Asahi Glass Flemion Membrane, Dongyue Group osv.

3. sol-gel-metode

Sol-gel-metode bruges normalt til at fremstille organiske-uorganiske sammensatte membraner. Sol-gel-proces bruges til at opnå ensartet spredning af uorganiske fyldstoffer i polymermatrix.

Den enkle præparatproces er som følger: Den forberedte polymerhomogen membran er hævet og gennemvædet i et lille molekyleopløsningsmiddel opløst med alkol (Si, Ti, Zr osv.), Og den uorganiske oxid er in-situ dopet i membranen gennem SOL-gel-processen for at opnå den komposit membran. Udførelsen af ​​den organiske-uorganiske sammensatte membran, der er fremstillet på denne måde, er generelt bedre end den for den direkte opløsningsblandingsmembran, og den brintbrændselscelle, der er fremstillet af denne membran, kan stadig opretholde en stabil operation ved 130 ℃ høj temperatur, men den kan ikke opnå storskala kontinuerlig produktion af membranen.