양성자 교환 막 (PEM) 생산 공정

양성자 교환 막연료 전지 (PEMFC)는 물 전해저의 "역"장치라고 할 수 있습니다. 물 전기 분해는 외부 전원을 사용하여 수소와 산소를 생산하기 위해 물을 전해합니다. 연료 전지는 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 물을 생산하고 동시에 전기를 생성하는 공정입니다. PEMFC에는 2 개의 극, 수소 전극 및 산소 전극이 있습니다.양성자 교환 막전해질 역할을합니다.

그림 양성자 교환 멤브레인 출처 : 고어

그러므로,양성자 교환 막 (PEM)PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 핵심 기본 재료 중 하나이며, 그 성능은 배터리의 성능 및 서비스 수명을 결정합니다. 수소 연료 전지의 효율적이고 안정적인 작동을 달성하기 위해, 양성자 교환 막은 높은 양성자 전도도, 우수한 열 및 화학적 안정성, 높은 기계적 강도 및 내구성을 가질 수 있어야한다.

양성자 교환 멤브레인이 어떻게 작동하는지 상상하십시오

생산 과정양성자 교환 막막의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 녹는 공정과 솔루션 프로세스의 두 가지 주요 생산 공정이 있습니다.

먼저, 막 형성 방법을 녹입니다

용융 압출 방법이라고도하는 용융 막 형성 방법은 PFSA를 준비하는 데 사용되는 첫 번째 방법입니다.양성자 교환 막. 제조 과정은 변형 처리 후 최종 생성물을 얻기 위해 압출 주조 또는 막 내로 롤링을 통해 수지를 녹이는 것입니다. 용융 압출 공정은 DuPont에 의해 처음 상업적으로 생산되었으며 Solvay의 Aquivion 제품군은 짧은 측쇄 Perfluorosulfonic acid (PFSA)를 사용하여 유사한 공정을 사용하여 원료로 사용합니다.

이 방법에 의해 제조 된 막은 균일 한 두께, 우수한 성능 및 높은 생산 효율을 가지며, 이는 두꺼운 막의 질량 생산에 적합하며 생산 공정은 용매를 사용할 필요가 없으며 환경 친화적입니다.

단점은 한편으로, 공정의 특성으로 인해 용융 압출 방법을 사용하여 막을 생성 할 수 없으며 PFSA 양성자 막의 비용 문제를 효과적으로 해결할 수 없다는 것입니다. 한편, 압출 성형에 의해 제조 된 막은 최종 생성물을 얻기 위해 가수 분해 변환을 겪어야하며,이 과정에서 부드러운 막을 유지하기가 어렵다. 상기 문제를 고려할 때, 기본적으로 해결할 수는 없지만, 양성자 교환 막 필드에서 용융 방법의 연구 및 적용은 감소하는 경향을 나타낸다.

둘째, 용액 막 형성 방법

솔루션 막 형성 방법은 과학 연구 및 상업용 제품에 사용되는 주류 방법입니다. 중합체 및 개질제는 주조 또는 주조 후 용매에 용해 된 후, 마지막으로 건조 된 후 용매를 제거하여 막을 형성한다. 솔루션 막 형성 방법은 대부분의 수지 시스템에 적합하며, 하이브리드 변형 및 미세 구조 설계를 쉽게 달성 할 수 있으며, 초 미세 막을 준비하는 데 사용될 수 있으므로 많은 관심을 끌었습니다.

용액 막 형성 방법은 후자의 과정의 차이에 따라 용액 주조 방법, 용액 주조 방법 및 졸-겔 방법으로 추가로 세분 될 수있다.

1. 솔루션 주조 방법

솔루션 주조 방법은 플랫 몰드에 중합체 용액을 직접 주조하고, 용매가 휘발하여 특정 온도에서 막을 형성하는 것입니다. 이 방법은 간단하고 사용하기 쉬우 며 주로 실험실 기본 연구 및 상업 전 공식 및 공정 최적화에 사용됩니다.

2. 용액 확산 방법

솔루션 주조 방법은 대규모 연속 생산에 사용될 수있는 솔루션 주조 방법의 확장이므로 현재의 상용 제품 (주로 PFSA 양성자 교환 멤브레인)은 주로 솔루션 주조 방법을 사용합니다.

솔루션 주조 방법은 용융 압출 방법과 비교할 때 주로 수지-롤 프로세스, 용액 주조, 건조 멤브레인 형성 및 기타 공정을 포함하여 롤 투 롤 프로세스를 통해 지속적인 생산을 달성 할 수 있습니다. 용융 압출 방법과 비교할 때 프로세스는 더 길고 복잡하며 용매가 회복되어야하지만, 이점은 제품 성능이 더 좋고 막 두께가 더 얇다는 것입니다.

주요 생산 회사는 다음과 같습니다. 미국 Gore Gore-Select Series Membrane, Dupont Second/3 Generation Nafion Membrane, Asahi Kasei Acflex Membrane, Asahi Glass Flemion Membrane, Dongyue Group 등입니다.

3. 졸-겔 방법

졸-겔 방법은 일반적으로 유기-신경 복합 막을 준비하는 데 사용됩니다. 졸-겔 공정은 중합체 매트릭스에서 무기 충전제의 균일 한 분산을 달성하는데 사용된다.

간단한 제조 과정은 다음과 같습니다. 미리 준비된 중합체 균질 막은 알 콜스 (SI, TI, ZR 등)와 함께 용해 된 소분자 용매에 부어 오르고, 무기 산화물은 졸-겔 과정을 통해 막 내로 도핑되어 복합체 막을 얻습니다. 이러한 방식으로 제조 된 유기-신경 복합 막의 성능은 일반적으로 직접 용액 블렌딩 멤브레인의 성능보다 우수하며,이 막으로 만들어진 수소 연료 전지는 여전히 130 ℃에서 안정적인 작동을 유지할 수 있지만 막의 대규모 연속 생산을 달성 할 수는 없습니다.