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优可发:质子交换膜基膜国内领跑者
优可发 / 时间:2023-03-23 13:36:55

        苏州优可发新材料科技有限企业是一家基于膨体ePTFE氟元素微观多孔膜及其衍生品的省专精特新企业,企业创建于2017年自主创新的研发团队掌握e-PTFE膜40+核心技术,建立成熟的 ePTFE 膜制造、改性、复合、检测、验证的全产业链的生产制造能力。基于膨体ePTFE氟元素微观多孔膜主要产品系列有氢能质子膜基膜、纳米空气过滤膜、高效空气滤纸、液体超滤膜、超滤液体滤材、防水透气膜、防水透音膜、微孔电子膜、好氧堆肥膜、功能性纺织面料等。在纳米级芯片工艺制程超净环境、空气除尘过滤、超滤液体过滤、废水处理、防水透气产品、新能源汽车、燃料电池、功能纺织面料、防水透气包装等行业领域推出众多创新产品。在燃料电池汽车产业蓬勃前景的推动下,企业对加速氢能和储能领域核心膜材料-质子交换膜基膜的研发及产业化,解决了我国氢能和储能领域关键材料被国外卡脖子技术难题。

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质子交换膜材料概况

质子膜,又称聚合物电解质薄膜,实际是一种选择性透过膜,功能是传递质子,此外还起到隔离燃料与氧化剂,防止渗透引起直接化学反应的作用。在燃料电池中,它与催化剂、气体扩散层、构成膜电极,成本占到整个燃料电池堆的10-20%。

质子交换膜根据含氟情况进行分类,主要可分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物膜、无氟质子交换膜、复合膜四类。目前全氟磺酸质子交换膜和复合质子膜已经实现商业化,成为市场上重要的燃料电池隔膜材料。

质子膜交换膜的基本结构和发电原理如下所示:


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质子膜交换膜燃料电池反应原理

单电池主要由膜电极(阳极Anode、阴极Cathode、质子交换膜PEM)和集流板组成。具有一定湿度和压力的氢气和氧气分别进入阳极和阴极,经扩散层到达催化层和质子交换膜的界面,分别在催化剂的作用下发生氧化和还原反应。

阳极:H2---->2H++2e-

阴极:1/2O2+2H++2e----->H2O

电池总反应:H2+1/2O2---->H2O

在阳极,氢气发生电化学反应生成氢离子和电子,其中氢离子通过质子交换膜传导到阴极(质子交换膜的特有属性使其只允许氢离子通过),电子通过外电路达到阴极,在阴极氢离子、电子和氧气反应成水。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式随多余的氧气从阴极出口排除。

质子膜是燃料电池的核心部件,简化来说,就是一种10~200um的薄膜。质子交换膜的重要特征就是只允许氢离子通过,不容许氢气及电子通过。对质子交换膜的性能如良好的离子导电性、适度的含水率、高稳定性、高机械强度和结构强度。在研发质子交换膜的过程中,主要综合考虑以下方面:

1厚度及单位面积质量

质子交换膜的厚度和单位质量与其电阻大小直接相关,减小厚度和单位质量,能够有效降低电阻值,减少欧姆损耗,提高燃料电池的输出电压和能量密度。但是需要注意的是如果质子交换膜的厚度过低,会影响其抗拉机械强度性能。

2抗拉机械强度

抗拉强度与质子交换膜的厚度成正比关系,同时也与内部的工作环境有关。因此,在设计开发质子交换膜时,要综合考虑其电阻值与抗拉强度,进行反复的优化设计,找到合适最匹配的厚度值。

3)含水率

单位干膜质量的含水量称为质子交换膜的含水率。含水率对质子传到能力有较大影响,同时也会影响氧气在质子交换膜中溶解扩散。含水率越高,质子交换膜扩散因子和渗透越大,质子膜的电阻也随之下降,但要注意的的事会降低其强度。

4)溶胀率

溶胀率是指在给定温度和湿度下相对于干膜在横向,纵向和厚度的方向的尺寸变化的百分比。溶胀率反应了质子交换膜的形变特性。溶胀率高,在水合和脱水时会由于膜的溶胀而造成电极的变形和质子交换膜局部应力的增大,导致燃料电池性能下降。在设计质子交换膜的时候,要综合考虑其厚度、阻值、抗拉强度、含水率以及溶胀率,这些因素相互影响,此消彼长,要经过不断的优化综合的得到“理想点optimum point“。

优可发用于质子交换膜ePTFE基膜

目前质子交换膜燃料电池商业化的限制因素包括PFSA膜的高成本和耐久性。采用多孔膨体聚四氟乙烯(ePTFE)多孔膜作为增强基体来制备增强型复合质子膜是一种先进的质子交换膜制备技术。通过复合的形式引入机械稳定性更强的ePTFE材料,可才保证质子交换膜机械强度和尺寸稳定性的同时有效地减小膜总厚度,从和减少PFSA离子交换聚合物的使用,降低制备成本。并且通过抑制膜平面方向的溶胀,来降低PEMFC燃料电池运行中因干/湿循环引起的机械应力及其带来的膜损害。因此该类质子交换膜在PEMFC干、湿循环过程中更加稳定,其使用寿命相比同等厚度非增强膜提升一个数量级,与纯PFSA膜相比,可以实现更好的燃料电池性能。此外,这种基于ePTFE的增强复合膜还具有其他优点,包括较高的机械强度,较好的尺寸稳定性以及由于其较薄的膜厚度而具有较低的质子传导面阻。通过将PFSA分散液浸渍在填充到多孔ePTFE基体中可制备增强复合膜,其典型的商业化代表就是GORE膜。

苏州优可发新材料科技有限企业也基于增强复合膜的制备理念开发了高机械强度、高孔隙率、独特的纤维结构ePTFE基膜以及有着更好的PFSA离子交联聚合物填充效果。以下表格为苏州优可发技术有限企业生产的ePTFE多孔膜性能数据对比国内外典型商业化的ePTFE多孔膜膜供参考。

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截至目前中国众多质子交换膜企业已接受优可发产品,并被国内行业龙头企业评价通过,列为合格供应商。优可发将坚守“通过持续的创新,生产极致产品及保证其品质稳定性,满足全球客户不断变化的需求”, 加快核心技术的壁垒构建,打破核心材料国外产品垄断迈出关键的第一步,并助力国内产业关键技术的突破与本土化,解决上游核心原材料被国外卡脖子的难题。持续保持在ePTFE膜行业领域的领先地位。不忘持续为人类健康、社会环保做出贡献的初心,带着对梦想永恒追求,优可发将砥砺前行,不断努力,为人们创造一个更加美好的生活,让世界更加精彩。



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