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科学材料站Z博士:Nafion™ 磺酸膜知多少?

阅读次数:    2021-06-27

作者:Z博士,科学材料站Nafion工程师团队

通讯作者:Z博士

发布机构:科学材料站Discovery of Materials,原创文章


1. 简介

Nafion™ 全氟磺酸 (PFSA) 膜基于 PFSA/聚四氟乙烯 (PTFE) 共聚物,广泛应用于电化学电池中,起到阳离子传导固体电解质的作用。Nafion™ 膜具有多种等级和不同特性,可满足设计师和工程师的特定应用需求。


2. 特点和优势

Nafion™ PFSA 膜具有独特的特性,可用于多种应用。Nafion™ PFSA 膜有根据制备工艺分成溶液铸膜和挤出铸膜两种。


3. 溶液铸膜

Nafion™ 溶液铸膜(solution/dispersion cast membranes)由 Nafion™ 分散剂制成。这种膜通常较挤出铸膜(extrusion cast membranes)更薄,适合对低离子传输阻力有严格要求的应用。分散剂铸膜旨在为预期应用提供理想的耐久性。(溶液铸膜和分散剂铸膜是同一个概念)

膜型号

材料特性

是否化学稳定

常见应用

NC700

15μm厚度,带强化层

燃料电池

NR211

25μm,无强化

能源储存、燃料电池

NR212

50μm,无强化

能源储存、燃料电池

HP

20.3μm,经过强化

能源储存、燃料电池

XL

27.5μm,经过强化

能源储存、燃料电池

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


3.1 Nafion NR211 & NR212

Chemours(前杜邦)Nafion PFSA NR-211和Nafion PFSA NR-212膜基于酸(H+)形式的化学稳定的全氟磺酸/PTFE共聚物,与非稳定聚合物相比,表现出显著更低的氟离子释放,这是化学耐久性提高的标志。Nafion PFSA膜广泛应用于质子交换膜(PEM)燃料电池和水电解槽。这种膜在各种电化学电池中起着隔膜和固体电解质的作用,这些电化学电池需要这种膜选择性地将阳离子输送到电池连接处。这种聚合物耐化学腐蚀,经久耐用。


Nafion NR211图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion膜用于分离质子交换膜燃料电池和水电解槽的阴阳极室。这种特殊阳离子交换膜的厚度使Nafion™ 211适用于许多氢-空气/氧燃料电池应用。Nafion 211的厚度为25.4微米(μm)。该膜位于背衬膜和盖片膜之间,使用时需将离子膜从背衬膜和盖片膜中间分离,背衬膜和盖片膜的厚度约为99微米左右,总厚度为124微米左右。


Nafion NR212图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion膜用于分离质子交换膜燃料电池和水电解槽的阴阳极室。这种特殊阳离子交换膜的厚度使Nafion™ NR212适用于许多氢-空气/氧燃料电池应用。Nafion NR212的厚度为50.8微米(μm)。该膜位于背衬膜和盖片膜之间,使用时需将离子膜从背衬膜和盖片膜中间分离,背衬膜和盖片膜的厚度约为101微米左右,总厚度为152微米左右。


3.2 Nafion HP & XL

Chemours(前杜邦)Nafion™ HP和XL膜基于化学稳定的全氟磺酸/PTFE共聚物,呈酸(H+)形式,与非稳定聚合物相比,氟离子释放显著降低,这是化学耐久性提高的标志。这些膜经过了加强,具有更高的机械耐久性和化学稳定性。Nafion™ PFSA膜广泛应用于质子交换膜(PEM)燃料电池和水电解槽。这种膜在各种电化学电池中起着隔膜和固体电解质的作用,这些电化学电池需要这种膜选择性地将阳离子输送到电池连接处。这种聚合物耐化学腐蚀,经久耐用。


Nafion HP图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion HP膜是由Chemours公司生产的超薄阳离子交换膜。这种膜经过了加强,并被设计用于相对湿度较低的环境和较高的工作温度。增强剂改善了膜的可处理性和物理性能。当强化工艺与化学稳定的聚合物相结合时,Nafion™ 在具有挑战性的燃料电池工作条件下,Nafion HP膜表现出较低的氟离子释放量和较长的工作耐久性。Nafion™ HP的厚度为20.3微米。该膜位于背衬膜和盖片膜之间,使用时需将离子膜从背衬膜和盖片膜中间分离,背衬膜和盖片膜的厚度约为99微米左右,总厚度为119微米左右。


Nafion XL图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion™ XL膜是新开发的强化膜,可增强Nafion膜的化学稳定性。Nafion™ XL膜的机械耐久性和增强的化学稳定性是一种先进的稳定系统的结果,该系统可提高机械强度并提供抗过氧化氢侵蚀的能力,从而提高膜的使用寿命和性能。Nafion™ XL膜的厚度为27.5微米。该阳离子交换膜位于背衬膜和盖片膜之间,使用时需将离子膜从背衬膜和盖片膜中间分离,背衬膜和盖片膜的厚度约为97微米左右,总厚度为124微米左右。


4. 挤出铸膜

Nafion™ 挤出铸膜通常较溶液铸膜更厚,适合对高强度或低透过率/穿透率有严格要求的应用。这种膜还可以进一步强化以实现最大强度与抗撕裂性。

膜型号

材料特性

是否化学稳定

常见应用

非强化膜

N115

127μm厚度

能源储存、产氢、各种电解过程

N117

183μm厚度

能源储存、产氢、各种电解过程

N1110

254μm厚度

产氢, 各种电解过程

适用于特种应用的强化膜

N324

280μm厚度,高强度、高阴离子截留膜

各种电解过程

N424

380μm厚度,高强度膜

各种电解过程

N438

305μm厚度,强度最高,轮廓比N424膜更平坦

采用贫氧阴极(ODC) 技术通过盐酸制氯、各种电解工艺

N551

带有气体释放涂层的高强度膜

钾用氯碱、各种电解工艺

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


4.1 Nafion N115、N117、N1110离子膜

Chemours(前杜邦)Nafion™ N115膜、N117膜、N1110膜是基于酸(H+)形式的化学稳定全氟磺酸/PTFE共聚物的非强化膜。化学稳定膜的物理性能保持不变,与非稳定聚合物相比,化学稳定膜的氟离子释放显著降低,这是化学耐久性提高的标志。Nafion™ PFSA膜广泛应用于质子交换膜(PEM)燃料电池和水电解槽。这种膜在各种电化学电池中起着隔膜和固体电解质的作用,这些电化学电池需要这种膜选择性地将阳离子输送到电池连接处。这种聚合物耐化学腐蚀,经久耐用。

Nafion N115图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion™ 膜可用于分离质子交换膜燃料电池和水电解槽的阴阳极室。这种特殊阳离子交换膜的厚度使Nafion™ N115适用于直接甲醇燃料电池(DMFC)和电解应用。Nafion™ N115的典型厚度是127微米,科学材料站Nafion工程师团队在实际测量时发现膜的厚度存在不均一的情况,一般在140微米以内,该膜没有背衬膜和盖片膜,可直接处理或者使用。


Nafion N117图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion™ N117膜的典型厚度为183微米,科学材料站Nafion工程师团队在实际测量时发现膜的厚度存在不均一的情况,一般在180-200微米之间,该膜没有背衬膜和盖片膜,可直接处理或者使用。这种特殊阳离子交换膜的厚度使Nafion™ 117适用于直接甲醇燃料电池(DMFC)等应用。


Nafion N1110图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Nafion™ N1110膜的典型厚度为254微米,科学材料站Nafion工程师团队在实际测量时发现膜的厚度存在不均一的情况,一般在250-260微米之间,该膜没有背衬膜和盖片膜,可直接处理或者使用。


4.2 Nafion N324、N424、N438离子膜

Nafion N324图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Chemours(前杜邦)Nafion™ N324是一种全氟磺酸阳离子交换膜,结合了优异的耐化学性和强劲的聚四氟乙烯纤维增强。建议用于氯碱生产和各种电解工艺,如电镀或电解镀。

Nafion™ N324膜的典型厚度为280微米,科学材料站Nafion工程师团队在实际测量时发现膜的厚度存在不均一的情况,一般在280-290微米之间,该膜没有背衬膜和盖片膜,可直接处理或者使用。

Nafion™ N-324以“干燥”和H+形式运输。这种干燥的H+膜仅需要在碱性水中进行简单的预处理。预处理过程参考【Nafion™ “干”H+膜预处理技术说明书93-01】,如需更多详情请联系科学材料站(www.scimaterials.cn)

请注意:标有CATH的一侧必须朝向阴极安装,否则,膜在使用中会受到不可逆转的损坏。如果你的膜没有标记,只需感觉/观察膜的两面,平滑/光泽度较高的一面就是阴极面。


Nafion N424图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Chemours(前杜邦)Nafion™ N424是一种全氟磺酸阳离子交换膜,结合了优异的耐化学性和强劲的聚四氟乙烯纤维增强。建议用于氯碱生产和各种电解工艺,如电镀或电解镀。

Nafion™ N424膜的典型厚度为380微米,科学材料站Nafion工程师团队在实际测量时发现膜的厚度存在不均一的情况,一般在380-400微米之间,该膜没有背衬膜和盖片膜,可直接处理或者使用。

Nafion™ N-424以“干燥”和H+形式运输。这种干燥的H+膜仅需要在碱性水中进行简单的预处理。预处理过程参考【Nafion™ “干”H+膜预处理技术说明书93-01】,如需更多详情请联系科学材料站(www.scimaterials.cn)。

请注意:标有CATH的一侧必须朝向阴极安装,否则,膜在使用中会受到不可逆转的损坏。如果你的膜没有标记,只需感觉/观察膜的两面,平滑/光泽度较高的一面就是阴极面。


Nafion N438图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

Chemours(前杜邦)Nafion™ N438是400系列中的新产品。该膜代表了织物增强型阳离子交换膜的最新技术,适用于氯碱工艺、电镀工艺(电镀或电解电镀)和许多其他电化学应用。它是一种新型的聚四氟乙烯单丝增强体,强度高,但比Nafion™ N424更加平整。Nafion™ N438的边缘泄漏减少,膨胀特性比N424更加均匀。

Nafion™ N438膜的典型厚度为305微米,科学材料站Nafion工程师团队在实际测量时发现膜的厚度存在不均一的情况,一般在299-310微米之间,该膜没有背衬膜和盖片膜,可直接处理或者使用。

Nafion™ N438以“干燥”和H+形式运输。这种干燥的H+膜仅需要在碱性水中进行简单的预处理。预处理过程参考【Nafion™ “干”H+膜预处理技术说明书93-01】,如需更多详情请联系科学材料站(www.scimaterials.cn)。

请注意:标有CATH的一侧必须朝向阴极安装,否则,膜在使用中会受到不可逆转的损坏。如果你的膜没有标记,只需感觉/观察膜的两面,平滑/光泽度较高的一面就是阴极面。

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