質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）可以說(shuō)是電解水的“逆”裝置。電解水是利用外加電源使水發(fā)生電解，從而產(chǎn)生氫和氧；而燃料電池則是氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水，同時(shí)生成電的過(guò)程。PEMFC有氫電極和氧電極兩極，質(zhì)子交換膜在其中作為電解質(zhì)。
質(zhì)子交換膜?通用氫能
所以質(zhì)子交換膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心基礎(chǔ)材料之一，其性能的優(yōu)劣決定著電池的性能和使用壽命，為實(shí)現(xiàn)氫燃料電池的高效、穩(wěn)定工作，要求質(zhì)子交換膜具有高質(zhì)子電導(dǎo)率、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。
質(zhì)子交換膜的制膜工藝直接影響膜的性能，目前制膜工藝主要有兩種：熔融成膜法和溶液成膜法。
一、熔融成膜法
熔融成膜法也叫熔融擠出法，是最早用于制備PFSA質(zhì)子交換膜的方法。制備過(guò)程是將樹脂熔融后通過(guò)擠出流延或壓延成膜，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)型處理后得到最終產(chǎn)品。熔融擠出法由杜邦公司率先完成商業(yè)化生產(chǎn)，索爾維的Aquivion系列產(chǎn)品也采用類似工藝，使用的原材料為短側(cè)鏈全氟磺酸（PFSA）。
這種方法制備的薄膜厚度均勻、性能較好、生產(chǎn)效率高，適合用于批量化生產(chǎn)厚膜，且生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需使用溶劑，環(huán)境友好。
缺點(diǎn)在于，一方面由于工藝特點(diǎn)，熔融擠出法無(wú)法用于生產(chǎn)薄膜，無(wú)法有效解決 PFSA質(zhì)子膜成本的問題，另一方面，經(jīng)過(guò)擠出成型制成的膜還需進(jìn)行水解轉(zhuǎn)型才能得到最終產(chǎn)品，在這一過(guò)程中較難保持膜的平整。鑒于上述問題無(wú)法從根本上得以解決，熔融法在質(zhì)子交換膜領(lǐng)域的研究和應(yīng)用呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
圖源：東岳氫能
二、溶液成膜法
溶液成膜法是目前科研和商業(yè)化產(chǎn)品采用的主流方法。其大致制備過(guò)為：將聚合物和改性劑等溶解在溶劑中后進(jìn)行澆鑄或流延，最后經(jīng)過(guò)干燥脫除溶劑后成膜。溶液成膜法適用于絕大多數(shù)樹脂體系，易實(shí)現(xiàn)雜化改性和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可用于制備超薄膜，因此備受關(guān)注。
溶液成膜法根據(jù)后段工藝的差別可以進(jìn)一步細(xì)分為溶液澆鑄法、溶液流延法和溶膠-凝膠法。
1. 溶液澆鑄法
溶液澆鑄法是直接將聚合物溶液澆鑄在平整模具中，在一定的溫度下使溶劑揮發(fā)后成膜。這種方法簡(jiǎn)單易行，主要用于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究和商業(yè)化前期配方及工藝優(yōu)化。
2. 溶液流延法
溶液流延法是溶液澆鑄法的延伸，可用于大批量連續(xù)化生產(chǎn)，因此目前商業(yè)化產(chǎn)品(主要是PFSA質(zhì)子交換膜)多采用溶液流延法。
溶液流延法可通過(guò)卷對(duì)卷工藝實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，主要包括樹脂溶解轉(zhuǎn)型、溶液流延、干燥成膜等多道工序，相比于熔融擠出法，其工序更長(zhǎng)、流程較為復(fù)雜、溶劑需要進(jìn)行回收處理，但優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)品性能更佳且膜厚更薄。
主要生產(chǎn)公司有：美國(guó)戈?duì)朑ore-select系列膜、杜邦第二/三代Nafion膜、旭化成Acflex膜、旭硝子Flemion膜、東岳集團(tuán)等。
3. 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法通常用于制備有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜，利用溶膠-凝膠過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)填料在聚合物基體中的均勻分散。
簡(jiǎn)要制備過(guò)程如下：將預(yù)先制備好的聚合物均質(zhì)膜溶脹后浸泡在溶解有醇鹽(Si、Ti、Zr等)的小分子溶劑中，通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程將無(wú)機(jī)氧化物原位摻雜到膜中得到復(fù)合膜。通過(guò)這種方式制成的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜性能一般優(yōu)于直接溶液共混成膜，用這種薄膜制成的氫燃料電池在130°高溫下仍能保持穩(wěn)定工作，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)薄膜的大批量連續(xù)化生產(chǎn)。
目前國(guó)內(nèi)外質(zhì)子交換膜企業(yè)有東岳未來(lái)氫能、科潤(rùn)新材料、通用氫能、武漢綠動(dòng)氫能、漢丞科技、江蘇源氫、上海中科同力化工、百利坤艾、上海華誼三愛富、戈?duì)朑ore、科慕Chemours、FuMa、巴斯夫BASF、艾杰旭AGC、索爾維、3M等。
參考資料：《氫燃料電池質(zhì)子交換膜研究現(xiàn)狀及展望》俞博文
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：質(zhì)子交換膜常見生產(chǎn)工藝：熔融成膜法和溶液成膜法
