Διαδικασία παραγωγής μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM)

Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC)μπορεί να ειπωθεί ότι είναι η "αντίστροφη" συσκευή ηλεκτρόλυσης νερού.Ηλεκτρόλυση νερούείναι να χρησιμοποιήσετε μια εξωτερική τροφοδοσία ρεύματος στο ηλεκτρολυτικό νερό για την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου. Ενώ τα κύτταρα καυσίμου είναι η διαδικασία υδρογόνου και οξυγόνου που υποβάλλονται σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις για την παραγωγή νερού και ηλεκτρικής ενέργειας ταυτόχρονα. Το PEMFC έχει δύο πόλους, ηλεκτρόδιο υδρογόνου και ηλεκτρόδιο οξυγόνου, στο οποίο η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης.

Επομένως, τοΜεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM)είναι ένα από τα βασικά βασικά υλικά τουκυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC). Η ποιότητα της απόδοσής της καθορίζει την απόδοση και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική και σταθερή λειτουργία τουκύτταρα καυσίμου υδρογόνου, η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων απαιτείται να έχει υψηλή αγωγιμότητα πρωτονίων, καλή θερμική σταθερότητα και χημική σταθερότητα, υψηλή μηχανική αντοχή και ανθεκτικότητα.

Αρχή λειτουργίας τουμεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων

Τη διαδικασία προετοιμασίας της μεμβράνης τουμεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίωνεπηρεάζει άμεσα την απόδοση της μεμβράνης. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο κύριες διαδικασίες προετοιμασίας μεμβράνης: Μέθοδος σχηματισμού φιλμ μεμβράνης και μέθοδος σχηματισμού φιλμ λύσεων.

1. Μέθοδος σχηματισμού φιλμ.

Η μέθοδος σχηματισμού ταινιών τήξης, γνωστή και ως μέθοδος εξώθησης τήγματος, είναι η πρώτη μέθοδος που χρησιμοποιείται για την προετοιμασίαΜεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων PFSA. Η διαδικασία παρασκευής είναι να λιώσει τη ρητίνη και στη συνέχεια να σχηματιστεί μια μεμβράνη μέσω χύτευσης εξώθησης ή χρωματισμού, και στη συνέχεια το τελικό προϊόν λαμβάνεται μετά τη θεραπεία μετασχηματισμού. Η Dupont ολοκλήρωσε για πρώτη φορά την εμπορική παραγωγή της μεθόδου εξώθησης τήγματος.

Η μεμβράνη που παρασκευάζεται με αυτή τη μέθοδο έχει ομοιόμορφο πάχος, καλή απόδοση, υψηλή απόδοση παραγωγής και είναι κατάλληλη για μαζική παραγωγή παχύνων μεμβρανών. Δεν απαιτείται διαλύτης κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας, η οποία είναι φιλική προς το περιβάλλον.

2. Μέθοδος σχηματισμού φιλμ λύσης

Η μέθοδος σχηματισμού ταινιών λύσης είναι η μέθοδος κύριας διαστολής που χρησιμοποιείται επί του παρόντος στην επιστημονική έρευνα και τα εμπορικά προϊόντα. Η γενική διαδικασία παρασκευής είναι: η διάλυση του πολυμερούς και του τροποποιητή στον διαλύτη και στη συνέχεια η χύτευση ή η χύτευση και τελικά η στεγνή και η αφαίρεση του διαλύτη για να σχηματίσουν μια μεμβράνη. Η μέθοδος σχηματισμού φιλμ λύσεων είναι κατάλληλη για τα περισσότερα συστήματα ρητίνης, εύκολο να επιτευχθεί υβριδική τροποποίηση και σχεδιασμός μικροδομής και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή εξαιρετικά λεπτών ταινιών, οπότε έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή.

Η μέθοδος σχηματισμού μεμβράνης διαλύματος μπορεί να υποδιαιρεθεί περαιτέρω σε χύτευση διαλύματος, χύτευση διαλύματος και μέθοδο sol-gel σύμφωνα με τη διαφορά στη διαδικασία back-end.

1) Μέθοδος χύτευσης διαλύματος

Η μέθοδος χύτευσης διαλύματος είναι να ρίξει απευθείας το διάλυμα πολυμερούς σε ένα επίπεδο καλούπι και να σχηματίζει μια μεμβράνη μετά την εξατμιστή του διαλύτη σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Αυτή η μέθοδος είναι απλή και εύκολη στη χρήση και χρησιμοποιείται κυρίως για βασική εργαστηριακή έρευνα και προ-εμπορική διατύπωση και βελτιστοποίηση της διαδικασίας.

2) Μέθοδος χύτευσης διαλύματος

Η μέθοδος χύτευσης διαλύματος είναι μια επέκταση της μεθόδου χύτευσης διαλύματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συνεχή παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ως εκ τούτου, τα τρέχοντα εμπορικά προϊόντα (κυρίως μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων PFSA) χρησιμοποιούν κυρίως τη μέθοδο χύτευσης λύσεων.

Η μέθοδος χύτευσης διαλύματος μπορεί να επιτύχει συνεχή παραγωγή μέσω μιας διαδικασίας κυλίνδρου-κυλίνδρου, η οποία περιλαμβάνει κυρίως πολλαπλές διεργασίες όπως ο μετασχηματισμός διάλυσης ρητίνης, η χύτευση διαλύματος και ο σχηματισμός ταινιών ξήρανσης. Σε σύγκριση με τη μέθοδο εξώθησης τήγματος, η διαδικασία της είναι μεγαλύτερη, η διαδικασία είναι πιο περίπλοκη και ο διαλύτης πρέπει να ανακυκλωθεί, αλλά το πλεονέκτημα είναι ότι η απόδοση του προϊόντος είναι καλύτερη και το πάχος της μεμβράνης είναι λεπτότερο.

2) Μέθοδος Sol-Gel

Η μέθοδος Sol-Gel χρησιμοποιείται συνήθως για την παρασκευή οργανικών-ανομοιομορφικών σύνθετων μεμβρανών και η διαδικασία Sol-Gel χρησιμοποιείται για την επίτευξη ομοιόμορφης διασποράς ανόργανων πληρωτικών στη μήτρα πολυμερούς.

Η διαδικασία σύντομης παρασκευής έχει ως εξής: Η προπαρασκευασμένη ομοιογενής μεμβράνη πολυμερούς είναι διογκωμένη και βυθίζεται σε ένα μικρό μόριο διαλύτη που διαλύεται με αλκοξείδια (Si, Ti, Zr κ.λπ.) και το ανόργανο οξείδιο είναι επιτόπια μεμβράνη στη μεμβράνη μέσω της διαδικασίας sol-gel για να ληφθεί μια συμπληρωματική μεμβράνη. Η απόδοση της οργανικής-αμερικανικής σύνθετης μεμβράνης που γίνεται με αυτόν τον τρόπο είναι γενικά καλύτερη από αυτή της ταινίας άμεσης λύσης. Η κυψέλη καυσίμου υδρογόνου από αυτή τη μεμβράνη μπορεί ακόμα να διατηρήσει σταθερή λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία 130 °, αλλά είναι αδύνατο να επιτευχθεί συνεχής παραγωγή μεγάλης κλίμακας της ταινίας.