氟塑料薄膜在光伏电源和燃料电池中的应用――PVDF电池背板膜概要

第３９卷第Ｓ１２０１１年４月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ氟塑料薄膜在光伏电源和燃料电池中的应用——ＰＶＤＦ电池背板膜及全氟磺酸离子交换膜的制作与应用刘小建，苑会林’（北京化工大学北京市高分子材料加工重点实验室，北京１０００２９）摘要：简述了氟塑料薄膜在光伏电源和燃料电池中的应用。分别论述了太阳能电池背板用ＰＶＤＦ膜和全氟磺酸离子交换膜的制作、应用以及国内外的研究现状，以及本科研室在相关领域的最新研究成果。关键词：氟塑料；太阳能电池；离子交换膜；燃料电池；薄膜中图分类号：ＴＱ３２５．４文献标识码：Ａ文章编号：１００５—５７７０（２０１１）Ｓ１—０１０９—０７ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＦｌｕｏｒｏｐｌａｓｔｉｃＦｉｌｍｆｏｒＳｏｌａｒＰｏｗｅｒａｎｄＦｕｅｌＣｅｌｌＬＩＵＸｉａｏ‘Ｊｉａｎ，ＹＵＡＮＨｕｉ—Ｌｉ（ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｌｙｍｅｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｌｕｏｒｏｐｌａｓｔｉｃｆｉｌｍｆｏｒｓｏｌａｒｐｏｗｅｒａｎｄｆｕｅｌｃｅｌｌ．ＴｈｅｃｏｎｔｅｎｔｗａｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＶＤＦｂａｔｔｅｒｙｂａｃｋｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄｉｏｎ。ｒｅ－ｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｂｏｔｈｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｗｅＩ＿｝ｅｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｔｈｅｌａｔｅｓｔｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｏｕｒｒｅｓｅａｒｃｈｔｅａｍｉｎｒｅｌａｔｅｄｆｉｅｌｄｓｗｅｒｅｓｔａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｌｕｏｒｏｐｌａｓｔｉｃ；ＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ；ＩｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ；ＦｕｅｌＣｅｌｌｓ；Ｆｉｌｍ氟塑料是塑料的一个重要种类。自１９３８年美国科学家Ｒ．Ｓ．Ｐｌｉｎｋｅｔｔ合成出聚四氟乙烯以来，氟塑料的研制、生产、加工和应用得到了很大发展…。此外聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚全氟乙丙烯、四氟乙烯与乙烯的共聚物，四氟乙烯与全氟正丙基乙烯基醚的共聚物等具有不同性能、加工特性和用途的氟塑料也相继工业化生产，并展现出更广阔的应用前景‘２—３１。氟塑料是性能优异的高分子材料，具有热稳定性高、介电常数低、吸湿性低、可燃性低、表面能低、发电技术哺Ｊ。随着能源的逐步减少，各国都在用政策的、法律的手段逐步加大对可再生能源和清洁能源的开发利用，并努力提高其在整个能源使用中的比例。在这些清洁和可再生能源中，太阳能是其中最重要的能源之一［９一ｌｏ］。我国已经把太阳能光伏的开发和利用上升到国家战略的高度来对待。太阳能电池作为太阳能应用中的一种重要形式，其市场需求将越来越大。国内外有大量企业已经开始关注并进入该行业［１ｌ叫２｜。当今世界，人们正面临着能源短缺、环境污染、全球气候变暖等诸多问题，为了保护人类赖以生存的环境，实现全球经济持续发展，开发清洁、高效、安全和可持续的能源已迫在眉睫¨３｜。燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式转化为电能的高效发电装置，它具有燃优异的耐候性和极好的耐化学性Ｌ４Ｊ。目前已被广泛应用于航空航天、原子能、电子、电气、化工、机械、建筑、轻纺、医药等工业部门，并日益深入到人们日常生活中”咄ｏ。１８３９年，法国科学家贝克雷尔发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象被称为“光伏效应”ＥＴ］。１９５４年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太料多样化、能量转化率高、排气干净、安全可靠、噪音低、对环境污染小及维修性好等优点【ｌ卜１５】。燃料电池技术被认为是解决大气污染、全球气候变暖以及阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏矿物燃料依赖日益加深等问题的最佳途径之一。｝联系人：苑会林，男，１９５５年生，主要从事塑料成型加工机改性方面研究。０１０—６４４２１０９５作者简介：刘小建，男，１９８５年生，在读硕士，主要从事氟塑料加工方面的研究。万方数据岬料１．北！Ｉ）ｌＩ＊钒『Ｕ池令休为辛｝凡Ｈ化迁娘液流ＩＵ池（＇＋．ｎａｄｉｕ¨ｌＲ，ｕｌｏｘＩＩａＬＲｎ．缩ｑ为、『ＲＢ）．是一种ｈｔ性物Ｊｌ珏‘＾撕ｑ：讹动液态的氰化还脉电池饥咀池打竹能ＩＩｌ转换螋苹尚、七持琳地形爵求理ｉ亡｛｝命Ｋ、功率１０释｛Ｉ｝卡Ｈ旺强！蕾等请多优点”钒ＩＵ池肚“｛令卅捍ｊ：觇｛夔艟太、披术ｍ丸址，小接近产蛆化的高故－Ⅱ逆燃料电池．ｎＭＪＪ发电、光伏发Ｈ三、Ｈ王州酬嶂、分布电站、军／ＩＪ莆电空通ＩＨ政、ｊ西ｌＲ驰站，¨ｌｓ电踩等领域冉若擞Ｊ｛＝良卧的应川时ｊ；｝¨ｌｉｉｉ，钒电池技术已经趋近成熟．茭喇，加命人、澳夫划、ｌＦ和Ｈ术等同家已完成Ｉ．饥ｌｂ池的实川化研究．井已实现ｒ＿Ｉ。业化应ＪＩＩ，罔Ｉ乃川于＾ｍ能光伏发电系统的钒电池储能系统结筒４ｉ意『ｑ．泼系统上盟讣３部分：电堆部舒、电解液、拧制系缝”。’。Ｉ目Ｉ酚阻回￡ＨＩ雠＆ＩＵ采统ｎ々帖能“ｌ“池《缝＾９结曲“心ＩＷｌ太阳能电池背板用ＰＶＤＦ膜介绍Ｉ．Ｉ太阳能电池结构殛其对背膜的性能要求｝１胁的ｋ…能垃箭常』ｆｉ的Ｊｋ太ｍ能ＩＵ池板．Ｅ垃将太ＲＩ能转化为｝ｂ能的个ｔ酲醍缶此娄Ｊ“一仙他川年阡｛舣按照１５年“Ｌ进行设汁受确雠产一协造利如此Ｋ的他川剐瞅．就．蔷蚤严格控制各自…质针太ｍ能ＩＵ池＋＋ｉＬｌ‘｝＿埘装材料ｔ盟包竹破墒、热熔腔脞赡、也｛ＩＩ＿、背膜，接线盎，卧腔等。。Ｈ２为Ａ悖１能吧池模Ⅲ【结构小臣川女￡＾～咧２太ＲＩ能电池擞ｎ【缩构Ⅲ意删ｎ：这牡－－＋ｉ…－－ｈ赶ＩＩｌ能电池背膜的作川不存小觑，背脱作为ｆ￡接勺外界环境大面ｅ｛接触的光伏＿埘装材料．水ｎＩ譬ｎ打保护ＪＪＪ能“外．迁应县衙２５‘Ｆ之久的Ｉ，Ｔ稚的绝缘性能．耐长期皂化（泓热、１：热、紫外）、水燕‘Ｌ阻隔等性能表１州出ｒ太ｌ引能Ｈ三池时背Ｋ的性艟要球”。万方数据＆ＩｋＲＩ镌・ｂ池¨厅帆腔＂ＨＡ＜Ｊ＇ｐＩ：ｍ《．＃Ｉ．２太阳能电池背膜的发展现状爪刖咀池背嘴ｋ蟠仆～禽氟什脱。ｊ小禽赧Ｔｒ艇州大类眭ｒＩ：禽觚忤腆ｋ仆投Ｉｎｌ禽觚（枷ｒｌ’Ｉ１‘ｏｍ呵禽氟【如ｒｌ’Ｅ）阿种．ｊ￡。１１Ｉ址指篮ｌｑ扎厣公川的Ｉ＇・ｕ｛ｌａｒ（壤觚￡烯．ｈＩ・’）；Ｉ，指舣ｍ托仲的壤；叶笨一‘ｌＪ睦已二雕陆．即ＰＥ＇Ｉ薄膜；Ｅ指已烯一醋酸已烯埘脂Ｅ、＾，衙水禽氟的背膜ｂｔ；ｊ多皿过脞杜荆将多层ＰＥＴ胶枯复合而成…“小禽缸什瞄从材料书身特性上就无法满足阿ＩＩＪＭ硅太阳ＪＵ池ｄｌ¨２５ｑ：ｆｉ！Ｊ湿热、ｌ。热、紫外等环境＃骑与他川妥求讯啦适台川ｒ品硅太阳电池女ｌ件的封装’舍瓤背膜表面的氟材料…】氟冗素『Ｕ证性太．范德华半径小．碳氟键键能拈ｌ强（商逸４８５ｋＪ／ｍ＜，１）ｎ拙址特的氟化进性俸结构－Ｉ・的螺旋形怍状分子景衙、剐碰、表ｉＩ【ｉ平卅他得觚树脂的耐雌性、耐热件、耐旆低温什和耐化学曲－５¨Ｅ等打项忡能均十。分忧堪。ｎ前，太ⅢｌＵ池行脱材料Ｆ口包括壤轼已烯（ＩＷＦ）薄月｛１．Ｊ鬟嫡ｊ６【已怖（ｉ＇ＶＤＩ＂）ｊ撑悭、叫氟已烯一六瓤阿烯一偏般已烯韭壤物（Ｉ＇ｌｌ、）焯膜、，氟艇己烯一￡烯ｊＥ壤物（ＥＣ’ＩＦＥ）等１１Ｉ．３ＰＶＤＦ膜在太阳能电池背膜中的应用Ｐ＇ｖＤＦ树脂作为１０Ｐ、｝结掏相接近的阜时脂产鼎，ｉｈｊ。ｌ’、＿ＤＦ的禽氟艟５９％越ｋ于ｎＦ的４１％，其应川下７｝扳艇肘县彳『更好的性能”１…丁Ｉ）ＶＤＦ的含第３９罄Ｈ刘小墟．等：Ｈ％Ｈ薄№饵圯ｎｒＵ∞Ⅻ秣科【Ｕｎ巾∞ＲⅢ氟『ＩＩ高．ＪＣｌ｜ｉ寸惯性、ｍ【肼比以技船Ｉ适懂性鄙优ｒ儿他瓤材料；川波ｉ乇却２００—４Ⅲ｝ｎ［１ｌ的紫，ｂＣｒ…ｉ牙ｆＩ的ｔ爨１月崇外发慨成水，高性能的新制质Ｊ。交换膜如同昕月ｉ已成为燃料Ｉｂ池领域研究的热点””“‘ｈｊ￡悱能坫木水变：ｎ审锨ｆ、水量艘、碱等强艇化刺和ｍ求精刽：；ｌ’、ｌＪ｝瑞融‘・热分斛嶂嚣问温芷太．Ｉｑｍ锌珏成ＪｔＪＩＪｌ］Ｌ能够挤ｆ｜ｌ＊【涎成性能较女Ｆ的薄膜嚣晰多陇良ｒ｝能．他褂ｎｌ】｝成由太ｍ能Ｉｎ池｛ｆ板的优良材料“’『Ｉｉ址ｍｒｌ’～ＤＦ睦击【Ⅲ徙低．勾ｍ｝肚性腆是ＩＩｌｉ‘＿水尤氧健ｎ：川．战“槛强疏水性．难以‘・ｊ￡他蟾翰ｌ羁４为饥电池】。作原理玳患嘲“｛凡电池刖不ｌｄ价志ｎ々饥离子溶液分制作却ＪＦ照韫活十Ｊ二物厦（ｔＥ擞～Ｆ‘．负般如Ｖ”）．通址外拉泉把溶液从储液蚺ｋ＾电池堆雌内完成电化学垃ｌ｛【ｒ‘褂ｆＢ产变为ｖ“．ｖ。失盖ＩＵｆ变成ｖ”）．厦应衍溶液义嘲到储波聃．活性物质不断衍环流功．ｍ此先成免救也ｔ【．擞和衄｝礁之蜘【ｎ碥嘴黼弭浅黼腆Ｅｌ允计帖接．大大限制Ｊ。ＪＩ直川范ｍｆ垃嫂ｒＥ将成为术米研究的吐点Ｊｑ此ＰＶＤＦ树８女ｆ｝ｃＪ制・Ｈ‘通过，｝Ｉ＋世就起到Ｊ’ＩＵ池内部导电的作ｆ１】。”２燃料电池和钒电池用全氟磺酸离子交换脯々２．１质子交换膜燃料电池与钒电池的介绍雎ｆ奠换艇燃料电池（Ｉ’ＥＭｂ＇Ｃ）硅继喊性燃电池（ＡＦＣ）、磷瞳燃料电池（ＰＡＦＣ），熔融碳瞳盐燃料电池（ＭｃＦ（１．Ｉ卅体钮化物燃料ｌｂ池（ｓｔ”℃）之婿发腱址求的锥｝Ｌ代燃料ｅ也池”‘ｊ托他燃科Ｉ也池２ｋＷ／Ⅲ４州比ＰＥＭＦＣ髓打：功丰ｒ瞽度高（ｏＩ’ｏｋｇ）、Ｉｗｆｂ池ｎ摊术『．作帐硎Ⅲ懋州ｎＩＵ流带度太（Ｉ～４＾／ｗｎｊ）、Ｉ。作｛Ｉ＿Ｉ崖眠艘Ｒ前儿抄１等ｆｔ＂｜｛，ｂｒｌｌ干采川浆☆物作为电解质，没竹电解钒电池的隔脱一收选朋Ｎａｆｉｏｎｌｉ７．它Ｈ冉电ＨＩ骶、饥离于币能通过的特点．柯良好的离了导电性和化学酝定性，打…定的机械强度，１王ｌ址钉；ｉ｜；分遮水．而凡价｛｝ｉ贵，舳艇成率占ｒ整个电堆的６０％一７０％．川此蹦膜枘１日，：化和ＪＥ他脯艇ｎｑ政忡处刊ｌ址钒ＩＵ池隔（８０一ＩＯＯｔ）、ｎ动述度他（＾…波ｎ｜Ｉ黼腱腐蚀的问题，王ｉ『：境污染小他川奇命较Ｋ．ｊ【ＪｆＩ途１分Ｊ＇泛．符合人凳¨会”¨｝续发艟的嘤求．ｊ｝冉很僦ｎ撇术’｝命力幔ｒ建换Ｒ《燃料Ｌｂ池ｔ嶝仃离１：雌ＩＵ橄、Ｈ搬板Ｉｆ！！的发醚打向和解决・ｎ点…’２．２全氟磷酸离子交换膜的制备『｜Ｉｊｉ『．仝ｊ５【６黄肢离ｒ盒换日４的成，“疗法ｉＬ嘤雨州种：粘融挤小法＿Ｉ流砸法”２２自ｌ脏．』￡小意㈨＿噼Ｊ玎腑：删圳Ⅻ３所小ｎ７Ｒｉ擞．氧Ｃ（１ｉｆ№化刺的怍川下解离为ＩＩ御电ｆ．¨＋堪吐质ｒ变换｜１５｛传蚌刘阱傲；ｎｌ；｜ｊ啦，ｏ，在能化剂们作川ｒ‘ｊ透过质子奎按膜传廿到Ⅲｍ柏Ｈ＋发小厄成．结熔融挤ｍｄ制薪全氟躜睦离Ｆ盘换噼全氟磺艘离ｒ交换膜的１。业化制造技术主型为墙台’Ｅ成术’融挤小法【ｔ！ｌｌ美Ｉ可扎埠公司的Ｎａｌｉｏ．噼ｌ和ｎ书Ａ㈨ｋ公司的Ｆｌｅｍｉｏｎ膜的１．业制造技术）“卅篮般热地性树脂的成膜『，岂．ｒｑ采川熔融甲膜｝上挤皑【：艺制造仝氟磺畦斑ｒ盘换膜，法Ｉ：匕旬Ｉ诎驰薄膜不｛ｌｔｌ，／度均匀．性能”，ｍ川ｉｔ，“Ｊ箭设牢高．”肤规模Ｉ：业化生掌挂…２２产，但口曲仪被美雕和¨奉的少数儿家公耐昕２流延法制鏊仝瓶躏髓离子交换膜流延法制帷．填啦腔＂Ｌ理足浓溶液挥发过程巾大目３燃料电池Ｉ怍蝌ｍ—Ｅ直罔分于链段噼排进凡ｔ编格蚌ｌ｝『无宁蛮为钉序的结品过厩于奠换幢盐ＰＥＭＦＣ坫掏巾皿要的组成１｝【；讣．它决定Ｊ．蝼个］＇ＥＭＦＣ的肚能‘ｊ使Ｊｌ】寿命ｌＩＩｒ睽的成本较商．报大挫度Ｌ彬响ｒ整个电池采统的价格，程。夫分子暇州运动衙墼一定的热运动能．ＩｎＪ懵啦结．编结构叉需要分子ｊ瑚打足够的内壤能。所以热运动能和内聚能打主五’ｑ的化缸是成膜所必衙的热，Ｊ学条什…。可分为挤出ｉ】ｉｃ延法千¨溶液钢带流迤诸两种。膜的价格畸性能越来越成为束缚Ｉ＇ＥＭＦＣ发展与血Ｊｆ｜万方数据挤ｎｊｉ，４Ｌ延法制雌ｌｌ｜』凝陀挤Ｈｌｉ＿；ｃ逛法成’Ｗ辛氟磷酸唯．址将毗牲好的一一￡雕比的仝ｊｉ【磺嗽树脂凝胶傩乐液加＾精ｍ｝Ｊ【坷址ｎ：挤小机螺朴的加热、埋化、熔