質子交換膜燃料電池（PEMFC）可以說是電解水的“逆”裝置。電解水是利用外加電源使水發生電解，從而產生氫和氧；而燃料電池則是氫和氧發生電化學反應產生水，同時生成電的過程。PEMFC有氫電極和氧電極兩極，質子交換膜在其中作為電解質。
質子交換膜?來源：通用氫能
所以質子交換膜（PEM）是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心基礎材料之一，其性能的優劣決定著電池的性能和使用壽命，為實現氫燃料電池的高效、穩定工作，要求質子交換膜具有高質子電導率、良好的熱穩定性和化學穩定性、高機械強度和耐久性。
質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質子交換膜的方法。制備過程是將樹脂熔融后通過擠出流延或壓延成膜，經過轉型處理后得到最終產品。熔融擠出法由杜邦公司率先完成商業化生產，索爾維的Aquivion系列產品也采用類似工藝，使用的原材料為短側鏈全氟磺酸（PFSA）。
這種方法制備的薄膜厚度均勻、性能較好、生產效率高，適合用于批量化生產厚膜，且生產過程中無需使用溶劑，環境友好。
缺點在于，一方面由于工藝特點，熔融擠出法無法用于生產薄膜，無法有效解決 PFSA質子膜成本的問題，另一方面，經過擠出成型制成的膜還需進行水解轉型才能得到最終產品，在這一過程中較難保持膜的平整。鑒于上述問題無法從根本上得以解決，熔融法在質子交換膜領域的研究和應用呈現下降趨勢。
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化產品采用的主流方法。其大致制備過為：將聚合物和改性劑等溶解在溶劑中后進行澆鑄或流延，最后經過干燥脫除溶劑后成膜。溶液成膜法適用于絕大多數樹脂體系，易實現雜化改性和微觀結構設計，還可用于制備超薄膜，因此備受關注。
溶液成膜法根據后段工藝的差別可以進一步細分為溶液澆鑄法、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后成膜。這種方法簡單易行，主要用于實驗室基礎研究和商業化前期配方及工藝優化。
2. 溶液流延法
溶液流延法是溶液澆鑄法的延伸，可用于大批量連續化生產，因此目前商業化產品(主要是PFSA質子交換膜)多采用溶液流延法。
溶液流延法可通過卷對卷工藝實現連續化生產，主要包括樹脂溶解轉型、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、流程較為復雜、溶劑需要進行回收處理，但優勢在于產品性能更佳且膜厚更薄。
主要生產公司有：美國戈爾Gore-select系列膜、杜邦第二/三代Nafion膜、旭化成Acflex膜、旭硝子Flemion膜、東岳集團等。
3. 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法通常用于制備有機-無機復合膜，利用溶膠-凝膠過程來實現無機填料在聚合物基體中的均勻分散。
簡要制備過程如下：將預先制備好的聚合物均質膜溶脹后浸泡在溶解有醇鹽(Si、Ti、Zr等)的小分子溶劑中，通過溶膠-凝膠過程將無機氧化物原位摻雜到膜中得到復合膜。通過這種方式制成的有機-無機復合膜性能一般優于直接溶液共混成膜，用這種薄膜制成的氫燃料電池在130°高溫下仍能保持穩定工作，但無法實現薄膜的大批量連續化生產。
參考資料：《氫燃料電池質子交換膜研究現狀及展望》俞博文
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：質子交換膜（PEM）生產工藝
