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1、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
2、 文章编号: 1005-5770 (2011) S1-0109-07 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。 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、
3、优异的耐候性和极好的耐化学性。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。 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”。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阳能电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。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
4、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。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。 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。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,
5、它具有燃料多样化、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。燃料电池技术被认为是解决大气污染、全球气候变暖以及矿物燃料依赖日益加深等问题的最佳途径之一。 钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadi-um RedoxBattery,缩写为VRB),是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池有着能量转换效率高、无特殊地形要求、理论寿命长、功率与容量相互独立等诸多优点。 钒电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池,在风力发电
6、、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基站、UPS电源等领域有着极其良好的应用前景。目前,钒电池技术已经趋近成熟,美国、加拿大、澳大利亚和日本等国家已完成了钒电池的实用化研究,并已实现了工业化应用。图1为用于太阳能光伏发电系统的钒电池储能系统结构示意图,该系统主要分3部分:电堆部分、电解液、控制系统。 1 太阳能电池背板用PVDF膜介绍 1·1 太阳能电池结构及其对背膜的性能要求 目前的太阳能设备常用的是太阳能电池板,它是将太阳能转化为电能的一个重要设备
7、。此类产品使用年限一般按照25年以上进行设计,要确保产品达到如此长的使用期限,就需要严格控制各组件质量。太阳能电池组件封装材料主要包括玻璃、热熔胶胶膜、边框、背膜、接线盒、硅胶等。图2为太阳能电池模组结构示意图。 在这些组件中,太阳能电池背膜的作用不容小觑,背膜作为直接与外界环境大面积接触的光伏封装材料,不但要具有保护功能以外,还应具备25年之久的可靠的绝缘性能、耐长期老化(湿热、干热、紫外)、水蒸气阻隔等性能。表1列出了太阳能电池对背板的性能要求。 1·2 太阳能电池
8、背膜的发展现状 太阳电池背膜主要分为含氟背膜与不含氟背膜两大类。其中含氟背膜又分双面含氟(如TPT)与单面含氟(如TPE)两种,其中T是指美国杜邦公司的Tedlar (聚氟乙烯, PVF); P指双向拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯,即PET薄膜; E指乙烯-醋酸乙烯树脂EVA。而不含氟的背膜则多通过胶粘剂将多层PET胶粘复合而成。不含氟背膜从材料本身特性上就无法满足商用晶硅太阳电池组件25年的湿热、干热、紫外等环境考验与使用要求,很难适合用于晶硅太阳电池组件的封装。
