Процес виробництва протонної обмінної мембрани (PEM)

Мембрана Proton ExchangeПаливні елементи (PEMFC) можна сказати, що є "зворотним" пристроєм водного електролізора. Електроліз води використовує зовнішнє джерело живлення для електролізової води для отримання водню та кисню; Паливні елементи - це процес, при якому водень і кисень реагують електрохімічно для отримання води та вироблення електроенергії одночасно. PEMFC має два полюси, електрод водню та кисневий електрод, в якихМембрана Proton Exchangeслужить електролітом.

Зображення протонового обміну Джерело: Гор

Отже,Мембрана Proton Exchange (PEM)є одним із основних основних матеріалів паливного елемента мембрани протонної обміну (PEMFC), і його продуктивність визначає термін експлуатації та службового терміну акумулятора. Для досягнення ефективної та стабільної роботи водневого паливного елемента мембрана Proton Exchange повинна мати високу протонну провідність, хорошу термічну та хімічну стабільність, високу механічну міцність та довговічність.

Зобразіть, як працює мембрана Proton Exchange

Процес виробництваМембрана Proton Exchangeбезпосередньо впливає на продуктивність мембрани. В даний час існує два основні виробничі процеси: процес плавлення та процес рішення.

По -перше, метод утворення мембрани розплаву

Метод формування мембрани розплаву, який також називається методом екструзії розплаву, - це перший метод, що використовується для приготування PFSAМембрана Proton Exchange. Процес підготовки полягає в тому, щоб розтопити смолу за допомогою екструзійного лиття або кочення в мембрану після перетворення для отримання кінцевого продукту. Процес екструзії розплаву спочатку був комерційно вироблений DuPont, а сімейство продуктів Aquivion Solvay використовує аналогічний процес, використовуючи перфторусульфонову кислоту короткого бічного ланцюга (PFSA) як сировину.

Мембрана, підготовлена ​​цим методом, має рівномірну товщину, хорошу продуктивність та високу ефективність виробництва, що підходить для масового виробництва товстої мембрани, а виробничий процес не потребує використання розчинника і є екологічно чистим.

Недоліком є ​​те, що, з одного боку, через характеристики процесу метод екструзії розплаву не може бути використаний для отримання мембран і не може ефективно вирішити проблему вартості протонної мембрани PFSA; З іншого боку, мембрана, виготовлена ​​за допомогою ліплення екструзії, повинна пройти трансформацію гідролізу, щоб отримати кінцевий продукт, і важко підтримувати гладку мембрану в цьому процесі. З огляду на вищезазначені проблеми не можна принципово вирішити, дослідження та застосування методу плавлення в галузі мембрани протонової біржі показують тенденцію до зменшення.

По -друге, метод формування мембрани розчину

Метод формування мембрани - це основний метод, що використовується в наукових дослідженнях та комерційних продуктах. Він готується наступним чином: полімер і модифікатор розчиняються в розчиннику після лиття або лиття, і, нарешті, після висихання для видалення розчинника для утворення мембрани. Метод формування мембрани підходить для більшості смоляних систем, легко досягнення гібридної модифікації та дизайну мікроструктури, а також може бути використаний для підготовки надтонких мембран, тому він привертає велику увагу.

Метод формування мембрани розчину можна додатково підрозділити на метод лиття розчину, метод лиття розчину та метод соль-гелю відповідно до різниці останнього процесу.

1. Метод лиття рішення

Метод лиття розчину полягає в тому, щоб кинути полімерний розчин безпосередньо у плоскій формі та зробити розчинник підплаченим, утворюючи мембрану при певній температурі. Цей метод простий і простий у використанні, і в основному використовується для лабораторних базових досліджень та до комерційної рецептури та оптимізації процесів.

2. Метод дифузії розчину

Метод лиття рішення-це розширення методу лиття рішення, який може бути використаний для масштабного безперервного виробництва, тому поточні комерційні продукти (в основному мембрани PFSA Proton Exchanges) здебільшого використовують метод лиття рішення.

Метод лиття розчину може досягти безперервного виробництва за допомогою процесу рулону до ролики, в основному, включаючи перетворення розчинення смоли, лиття розчину, утворення сухої мембрани та інші процеси, порівняно з методом екструзії розплаву, його процес є довшим, складнішим, розчинник повинен бути відновлений, але перевага полягає в тому, що продуктивність продукту краща, а товщина мембрани тонше.

Основними виробничими компаніями є: мембрана Series Gore Gore-Select Сполучених Штатів, мембрана Nafion другого/третього покоління Dupont, мембрана Asahi Kasei Acflex, мембрана з флеміонів Asahi, група Dongyue тощо.

3. СОЛ-ГЕЛЬНИЙ МЕТОР

Соль-гель-метод зазвичай використовується для приготування органічних інорганічних композитних мембран. Соль-гель-процес використовується для досягнення рівномірної дисперсії неорганічних наповнювачів у полімерній матриці.

Простий процес підготовки такий: попередньо підготовлений полімерний однорідний мембрана набрякла і просочена в невеликому молекуловому розчиннику, розчиненому з алколами (Si, Ti, Zr тощо), а неорганічний оксид є в SITU, допованим у мембрану через процес соль-гелю для отримання композиційного мембрану. Продуктивність органічно-неорганічної композитної мембрани, виготовленої таким чином, як правило, краща, ніж у мембрані прямого розчину, і водневий паливний елемент, виготовлений з цієї мембрани, все ще може підтримувати стабільну операцію при високій температурі 130 ℃, але вона не може досягти масштабної безперервної виробництва мембрани.