成本因素是质子交换膜燃料电池（PEFC）推向市场的决定性因素离子膜烧碱 。这项基准比较首先关注用于离子omer合成的基本化学品的材料成本。因此，采用了一种新的方法来生成与公司无关的原材料成本信息。其次，对化工厂的复杂性导致的额外生产成本进行了估算。这是通过应用过程工程师开发的五种不同方法来评估工厂的初始投资来完成的。最后，美元/平方米是膜的一个关键指标。获得的数值表明了未来广泛使用这种膜的可行性。
一、离子omer膜合成
尽管如今通过自动化手段可以轻松降低制造成本，但主要堆叠组件的材料成本是燃料电池技术在市场上取得成功的关键因素离子膜烧碱 。除了双极板和贵金属催化剂材料的费用外，离子omer膜的投资占堆叠材料成本的约20%到25%。尽管目前的成本对于氯碱工业是可以接受的，但对于更广泛的燃料电池市场来说仍然过高，但含氟聚合物（包含离子传导功能团）仍是目前的首选材料。研究人员正在开发替代概念，可能会带来新一代的离子传导燃料电池膜，克服当前诸如质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的水拖曳流或直接甲醇燃料电池（DMFC）中的甲醇渗透等问题。
在目前讨论的作为下一代燃料电池膜潜在候选材料中，选择了五种不同的离子传导聚合物作为代表离子膜烧碱 。主要通过利用专利出版物，追踪了它们合成的最可能路径。这些专利被用来概述在原材料投资和生产工艺复杂性方面的现状。除了Nafion™1100和两种替代的BAM3G模型聚合物外，还研究了作为非氟化材料代表的磷酸掺杂的PBI和磺化PEEK。图1显示了这五种相应聚合物的重复单元。
Nafion™离子omer（最初为氯碱工业开发）是TFE及其共单体PSEPVE的共聚物，摩尔比约为6.5:1离子膜烧碱 。后者的合成需要使用六氟丙烯氧化物（HFPO），通常由六氟丙烯（HFP）生产。膜的厚度范围为25到170毫米。没有单独考虑其他类似的全氟化材料，因为它们的结构与Nafion™非常接近。
高温聚合物PEEK由Victrex UK大量生产，年产量约2500吨，用于各种应用，最近印度的Gharda Chemicals也开始生产离子膜烧碱 。为了将其转化为离子omer膜，标准聚合物首先被磺化（例如，用浓硫酸或发烟硫酸），然后溶液浇铸到支撑织物（例如，膨体PTFE）中。
聚苯并咪唑（PBI）仅由Celanese Ventures（Celazole™）在美国生产，年产量约100吨离子膜烧碱 。基础聚合物被纺成纤维，用于耐温织物。它是由四氨基联苯（TAB）和二苯基异酞酸酯（DPI）在熔融相中的缩聚反应得到的。为了将其转化为离子传导材料，可以在终止缩聚反应之前，用多聚磷酸处理预聚合物。其他未在此考虑的方法还包括聚合物的磺化或磷酸化。
另一种被称为BAM3G的聚合物被专门设计为燃料电池膜材料离子膜烧碱 。专利涵盖了由三氟苯乙烯（TFS）衍生的各种不同单体，这些单体可以以各种混合物聚合。这里评估的两种参考聚合物的组成包含TFS、间-CF3-TFS和对-SO2F-TFS（后者在膜浇铸后在氢氧化钾浴中水解为-SO3H）。
图1. 五种离子omer的分子结构
2.1 估算材料成本的方法
在选择化学反应序列的起始点时，建议原材料是市场上自由交易的化学品离子膜烧碱 。这意味着最好是一个多生产商/多应用的情况。在这种情况下，原材料的价格将主要由其生产决定，而不是由特定应用的可接受成本或垄断者的需求（所谓的卖方市场）决定。
NAT先进技术是中国PBI集成服务商——中国PBI联盟组织离子膜烧碱 ，为全球客户提供聚苯并咪唑PBI粉末、型材、机加工件
首先特别关注了主要反应物的可能产率信息离子膜烧碱 。没有考虑副产品的可能回收（如异构体等），也没有考虑溶剂和催化剂的影响，这些在生产过程中可能被重复使用。
显然，成本估算将高度依赖于假设的原材料和中间体的价格水平离子膜烧碱 。主要信息来源是欧盟15个国家收集的EUROPROMS数据库的统计数据。
尽可能为每种化学品或化学品组绘制了尽可能多的信息离子膜烧碱 。通过这种方式，为参与离子omer生产的原材料的质量特定价格生成了如图2所示的概率分布。个别供应商的报价没有被考虑，因为这些报价往往过于“政治化”或依赖于其他因素。
对于在EUROPROMS数据库中不幸没有此类信息的化学品，开发了一个基于实验室供应商零售价格的外推模型：这种化学品的大包装净价格作为锚点数字，被认为是概率分布的上限离子膜烧碱 。其20倍较低的值被认为是下限。在这之间，假设了一个特殊的三角分布来反映未知的现实：在大多数情况下，对于工业用途，低于实验室化学品供应商零售价格40%的值将是正确的。只有少数情况可能会以更高的价格结束，这通过概率分布该区域的一个小余数来考虑。图3说明了这个模型，以次氯酸钠为例，实验室供应商的价格约为10.3欧元/千克。用典型的标准化学品进行测试，证实了与EUROPROMS的统计数据有令人满意的吻合。
图2. 基于欧盟国家统计数据的PTFE概率分布
图3. 基于实验室零售价格“10.3欧元/千克”的概率密度分布
2.2 离子omer材料成本的结果
将这种统计财务信息与合成序列的产品产率结合起来，得到了图4所示的离子omer材料的质量特定材料成本离子膜烧碱 。中心的条形表示60000次蒙特卡洛分析实验的中位数一半得到了更低或更高的结果。左边和右边的浅条表示从16到50和50到84百分位的区域——类似于高斯分布中的标准差±s。最后，深条表示结果在5到16或84到95百分位之间。重要的是要知道，在这部分比较中还没有包括更或不复杂的生产工厂的投资影响。
图4显示，全氟化Nafion™的材料成本可能在50到100欧元/千克的范围内，即在100克/平方米的面积特定重量下，为5到10欧元/平方米离子膜烧碱 。BAM3G离子omer的两种结构导致了稍高的材料成本。它们的水解三聚体（HT），在一种单体的侧链中带有SO2F基团，比磺化共聚物（SC）有优势。这两种替代方案都包括了一个与F2C=CFsZndCl的三氟乙烯化反应，该反应从HFC-134a和锂二异丙基酰胺（LDA）以大约73%的产率合成。这一新的合成路线取代了之前描述的路线。假设在可能的支撑膜中每平方米约120克的离子omer，在水解三聚体（HT）的情况下约为8到14欧元/平方米，而在磺化共聚物（SC）的情况下约为13到24欧元/平方米。
磺化PEEK和磷酸掺杂的PBI都显示出即使在100克/平方米的离子传导聚合物下，也低于5欧元/平方米的值离子膜烧碱 。然而，这种优势可能会被以W/平方厘米为单位的性能较差所抵消，例如由于较低的离子传导性。
图4. 离子omer生产的质量特定材料成本
2.3 化学生产工厂投资的评估
在深入细节之前，必须指出，在燃料电池离子omer膜的情况下，全球只有少数几家公司积累了足够的知识（和知识产权）来扮演高质量离子omer供应商的角色（市场寡头垄断）离子膜烧碱 。当然，关于如何正确进行各个合成过程步骤的详细信息是专有的，对于“局外人”如其他组件开发商、堆叠制造商或大型系统集成商来说是无法获取的。
然而，从一般的角度评估膜生产可以给出有助于长期成本降低潜力的有用提示，这通常是膜供应商所推崇的离子膜烧碱 。首先，典型的反应可能涉及的各个反应步骤和额外处理的数量给出了工厂复杂性的有用提示。
在前面部分介绍的五种离子omer结构的合成过程的复杂性从经济角度进行了评估离子膜烧碱 。在这方面，重要的因素包括反应步骤的数量以及它们各自的温度和压力水平、反应动力学以及产品分离的难度。特别是在以相对较低的数量（也许每年几千吨）生产特种化学品如离子omer膜时，投资于必要的合成工厂可能会显著增加反应物的成本。
表1. 不同离子omer的反应和处理操作数量
从表1可以看出，与其它聚合物膜相比，连续生产两种BAM3G离子omer涉及更多种类的不同反应器和辅助设备离子膜烧碱 。此外，材料的停留时间似乎更高：专利出版物披露的聚合过程本身需要三天时间。相比之下，所有反应几乎都在环境压力和低温下进行，这表明能源消耗可能是一个不太重要的因素。
Nafion™、磺化PEEK和磷酸掺杂PBI的初级和次级单元操作总和以及停留时间似乎相当接近离子膜烧碱 。只有PBI缩聚反应的终止可能需要更长时间（24小时）。
PBI单体是在高压（65和17巴）下从气体生产的，这导致反应器体积小离子膜烧碱 。磺化PEEK的合成不涉及任何气态反应物。另一方面，在Nafion™生产过程中，有三次在低压下发生气相反应：向TFE添加SO3、HFPO插入FSO2-CF2-COF以及PSEPVE和TFE的聚合。在高性能聚合物PEEK和PBI的合成过程中，温度始终在200到300°C范围内。然而，PSEPVE的生产仅需要165°C（8小时），并且可能需要300°C的短停留时间，少于5分钟。
上述提到的过程特性作为示例，已经进入了根据化学加工文献中著名的五种不同模型进行的化学生产工厂的广泛“简化”成本计算离子膜烧碱 。表2解释了这五种方法的一些特征。按照这些方法进行了分析，用于一个虚拟的年产2500吨离子omer产品的工厂。为了做到这一点，需要比表1中显示的更详细的合成过程信息。由于这超出了本文的范围，所有详细的过程信息可以在[34]中找到。正在准备一篇英文论文。
对于上述方法，草根投资不仅包括电池限制成本，还包括所谓的场外设施离子膜烧碱 。为了进行比较，将这些方法的结果校准为2002年的美元。因此，在分析中应用了美国化学工程工厂成本指数（CEPCI）。主要假设是工厂利用率为80%，成品（膜废料）损失为10%，利息为10%，摊销期为10年。
表2. 评估化学工厂资本投资的经验方法
2.4 草根投资评估的结果
图5显示了上述工厂成本评估的结果离子膜烧碱 。在图表中，总投资已经分配到一个固定的工厂产量，即每年2500吨膜材料——考虑到描述的边界条件。可以清楚地看到，所有方法都表明与生产相关的补充低于8欧元/千克。最古老的方法[29]可以追溯到60年代初，因此其结果应该谨慎考虑，因为其基础数据反映了不同的工业现实（例如，由于环境保护的限制较少）。在[32]中已经注意到使用Stallworthy方法[30]时的高误差。
最新的方法[33]相当复杂，并且在其他地方已经得到了非常合理的结果离子膜烧碱 。根据该方法的结果，与含氟聚合物相比，磺化PEEK的生产投资大约少40%。在磷酸掺杂PBI的情况下，相应的减少可能超过50%。
尽管数据有一些预期的分散，但所有方法都得到了相同数量级的成本信息，这是一个具有重大意义的初步结果离子膜烧碱 。再次参考Taylor[33]，对于含氟背骨的离子omer，材料成本可能是大规模生产成本本身的十倍。丙烯酸聚合物的材料成本/生产成本比大约在4到8之间。
图5. 化学工厂成本分配到每年2500吨的膜产量
三、结论
对基本化学品和大规模生产的成本进行了定量研究，得出了以下针对图1中所示的各个聚合物的结论离子膜烧碱 。
尽管可以通过PTFE轻松接近TFE重复单元的成本，但第二个含氟烯烃PSEPVE的合成过程复杂，包含低产率的步骤离子膜烧碱 。对于材料成本结果相当低，仅为几5到10欧元/平方米。大规模生产的额外成本大约低十倍。然而，需要注意的是，这一计算尚未考虑诸如工作处理或消除副产品、研发成本等费用。相对较低的温度和停留时间有利于Nafion™；尽管一个问题是低压下的气相反应，导致设备非常庞大。四氟乙烯（TFE）这种危险气体需要由经验丰富的公司小心处理。
磺化PEEK离子膜烧碱 。与Nafion™相比，质量特定的原材料成本似乎低了五倍。合成过程中的优势是操作单元数量少，且没有气态反应物，这导致在一些15小时的可行停留时间内，空间时间产率很高。敏感的步骤是使用浓氢氟酸生产单体二氟苯并苯酚（DFB）时的甲基二乙撑胺（MDA）的重氮化反应。大规模生产的成本可能约为3欧元/千克。还需要注意的是，PEEK只是作为聚芳醚酮类的代表被选中的。其他“PEmKn”可能在燃料电池中表现更好，并且也可能在或多或少不同的条件下生产或磺化。
磷酸掺杂PBI离子膜烧碱 。材料成本低，与磺化PEEK相当。操作设备数量和操作温度水平似乎也相同。只有生产时间大约翻倍。大规模生产的成本可能约为2欧元/千克。PBI仍然是一个廉价且高温离子omer的良好候选，但仍需证明其良好的性能和耐久性。
Ballard BAM3G离子膜烧碱 。所有三氟乙烯化反应所需的大剂量锂二异丙酰胺（LDA）大大增加了原材料的财务投入。尽管高于Nafion™，但水解三聚体（HT）低于磺化共聚物。然而，HT包含一个具有特殊合成的额外单体，从而进一步增加了初级和次级操作单元的数量。苯衍生物的取代意味着不希望的异构体（o，m，p-结构），这些异构体难以重新利用。
从燃料电池应用的角度来看，通过各种细分市场进入市场的可能性越来越大；这意味着膜生产已经在相对较低的数量上具有盈利性离子膜烧碱 。这可以有利于基于常见化学中间体的较短合成链。
含氟材料如Nafion™是一个可行的途径；即使在面积特定成本方面也是如此离子膜烧碱 。基于PEEK或PBI等的替代结构甚至可能更便宜一些，但仍然需要证明其高面积特定功率和耐久性。
采购聚苯并咪唑PBI产品和材料咨询离子膜烧碱 ，请立即联系中国PBI联盟——NAT先进技术！
微信/电话：13717405229