质子交换膜是氢燃料电池电堆、PEM制氢电解槽的核心部件之一,起到传递质子、隔离两极反应物等重要作用。
一、种类
根据材料的成分不同,质子交换膜有不同分类,其中全氟磺酸质子膜是最主要的类型,其共聚单体全氟乙烯基醚磺酰氟(PSVE)的分子结构、四氟乙烯(TFE)与PSVE的比例决定了全氟磺酸树脂的聚合度,以及用于质子传递的侧链磺酸基团的数量,由最终影响质子交换膜的机械性能和离子交换能力。
全氟磺酸树脂具有耐热性好、化学稳定性优、机械强度高、热熔融加工性好等优点,是已知最强固体超强酸。在现代工业上,全氟磺酸树脂的主要用途是制造薄膜。
全氟磺酸树脂制备一般是以带有磺酰氟基的全氟乙烯基醚单体与四氟乙烯为原料进行共聚制得。从制备过程来看,困难主要来自四个环节:原材料PSVE单体的制备、四氟乙烯的获取、树脂的聚合和成膜。
国融证券2022年研报显示,燃料电池系统包括电堆、空气压缩机和其它三个部分,分别占总成本的62%、16%和22%。占比最高的电堆部分又可分为催化剂、质子交换膜(电解质)、双极板气体扩散层和其它5类。而催化剂、质子交换膜和双极板,正是导致燃料电池成本居高不下的关键因素。
其中,据中航证券2022年研报显示,20cm*20cm(0.04m2)规格的杜邦质子交换膜价格为899元。一般生产每辆氢燃料电池汽车至少需要20平米质子交换膜,约合22.5万元。
二、生产工艺
质子交换膜的制膜工艺直接影响膜的性能,目前制膜工艺主要有两种:熔融成膜法和溶液成膜法。
1、熔融成膜法
熔融成膜法也叫熔融挤出法,是最早用于制备PFSA质子交换膜的方法。制备过程是将树脂熔融后通过挤出流延或压延成膜,经过转型处理后得到最终产品。
熔融挤出法由杜邦公司率先完成商业化生产,索尔维的Aquivion系列产品也采用类似工艺,使用的原材料为短侧链全氟磺酸(PFSA)。
2、溶液成膜法
