Proton Exchange Membrane (PEM) produksjonsprosess

ProtonutvekslingsmembranDrivstoffceller (PEMFC) kan sies å være den "omvendte" enheten til vannelektrolyzer. Vannelektrolyse bruker en ekstern effektkilde for å elektrolysere vann for å produsere hydrogen og oksygen; Drivstoffceller er en prosess der hydrogen og oksygen reagerer elektrokjemisk for å produsere vann og generere strøm samtidig. PEMFC har to poler, hydrogenelektrode og oksygenelektrode, derProtonutvekslingsmembranfungerer som elektrolytten.

Bildeprotonutvekslingsmembran Kilde: Gore

Derfor,Proton Exchange Membrane (PEM)er et av de grunnleggende grunnleggende materialene til Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), og ytelsen bestemmer ytelsen og levetiden til batteriet. For å oppnå effektiv og stabil drift av hydrogenbrenselcelle, er protonutvekslingsmembranen nødvendig for å ha høy protonledning, god termisk og kjemisk stabilitet, høy mekanisk styrke og holdbarhet.

Se på hvordan protonutvekslingsmembranen fungerer

Produksjonsprosessen tilProtonutvekslingsmembranpåvirker direkte ytelsen til membranen. For tiden er det to hovedproduksjonsprosesser: smelteprosess og løsningsprosess.

Først smelte membranforming metoden

Smeltemembranformingsmetode, også kalt smelte ekstruderingsmetode, er den første metoden som brukes til å fremstille PFSAProtonutvekslingsmembran. Forberedelsesprosessen er å smelte harpiksen gjennom ekstrudering av støping eller rulling til en membran, etter transformasjonsbehandlingen for å få sluttproduktet. Smeltekstruderingsprosessen ble først kommersielt produsert av DuPont, og Solvays Aquivion Family of Products bruker en lignende prosess ved bruk av perfluorosulfonsyre på kort sidekjede (PFSA) som råstoff.

Membranen fremstilt ved denne metoden har ensartet tykkelse, god ytelse og høy produksjonseffektivitet, som er egnet for masseproduksjon av tykk membran, og produksjonsprosessen trenger ikke å bruke løsningsmiddel og er miljøvennlig.

Ulempen er at på den ene siden på grunn av egenskapene til prosessen, kan smelte ekstruderingsmetoden ikke brukes til å produsere membraner og ikke effektivt kan løse problemet med kostnadene for PFSA -protonmembran; På den annen side må membranen laget av ekstruderingsstøping gjennomgå hydrolysetransformasjon for å få sluttproduktet, og det er vanskelig å opprettholde den glatte membranen i denne prosessen. Med tanke på de ovennevnte problemene kan ikke løses grunnleggende, viser forskningen og anvendelsen av smeltemetoden innen protonutvekslingsmembran en synkende trend.

For det andre, løsningsmembranformingsmetode

Løsningsmembranformingsmetode er mainstream -metoden som brukes i vitenskapelig forskning og kommersielle produkter. Det er grovt forberedt som følger: polymeren og modifisereren blir oppløst i løsningsmidlet etter støping eller støping, og til slutt etter tørking for å fjerne løsningsmidlet for å danne en membran. Løsningsmembranformingsmetode er egnet for de fleste harpikssystemer, lett å oppnå hybridmodifisering og mikrostrukturdesign, og kan også brukes til å fremstille ultratynne membraner, så den har vekket mye oppmerksomhet.

Løsningsmembranforming-metoden kan videre deles inn i oppstøpsmetode, løsningsstøpemetode og sol-gel-metode i henhold til forskjellen i sistnevnte prosess.

1. Løsningsstøpemetode

Løsningsstøpemetode er å støpe polymerløsningen direkte i den flate formen, og få løsningsmidlet til å volatilisere for å danne en membran ved en viss temperatur. Denne metoden er enkel og enkel å bruke, og brukes hovedsakelig til laboratorie grunnleggende forskning og pre-kommersiell formulering og prosessoptimalisering.

2. Løsningsdiffusjonsmetode

Løsningsstøpemetode er en utvidelse av løsningsmetoden for løsningen, som kan brukes til kontinuerlig produksjon i stor skala, så de nåværende kommersielle produktene (hovedsakelig PFSA Proton Exchange-membraner) bruker for det meste løsningsmetode.

Løsningsstøpemetode kan oppnå kontinuerlig produksjon gjennom rull-til-roll-prosess, hovedsakelig inkludert harpiksoppløsningstransformasjon, løsningsstøping, dannelse av tørr membran og andre prosesser, sammenlignet med smelte ekstruderingsmetode, prosessen er lengre, mer kompleks, løsningsmiddel må gjenvinnes, men fordelen er at produktytelsen er bedre og membrantykkelsen er tynner.

Hovedproduksjonsselskapene er: USAs Gore Gore-Select Series Membrane, DuPont Second/Third Generation Nafion Membrane, Asahi Kasei Acflex Membrane, Asahi Glass Flemion Membrane, Dongyue Group, etc.

3. Sol-gel-metode

Sol-gel-metode brukes vanligvis til å fremstille organiske-uorganiske komposittmembraner. Sol-gel-prosess brukes for å oppnå ensartet spredning av uorganiske fyllstoffer i polymermatrise.

Den enkle prepareringsprosessen er som følger: Den forberedte polymerhomogene membranen er hovent og dynket i et lite molekyloppløsningsmiddel oppløst med alkoler (Si, Ti, Ytelsen til den organiske-uorganiske komposittmembranen som er laget på denne måten er generelt bedre enn den for den direkte løsningen som blander membranen, og hydrogenbrenselcellen laget av denne membranen kan fremdeles opprettholde en stabil operasjon ved 130 ℃ høy temperatur, men den kan ikke oppnå storskala kontinuerlig produksjon av membranen.