Kako pomemben je membranski material v elektrolizatorju

Trenutno znanaElektrolizatorji imajo različna načela in poimenovanjeElektrolizator Vrsta je tesno povezana z membranskim materialom.

Themembrana Material je ključni material, ki določa reakcijski mehanizem, delovno učinkovitost, stabilnost in varnost elektrolizatorja in je tudi ena najpomembnejših komponent v opremi elektrolizerja. Membranski material ima pomembno vlogo pri zagotavljanju ionskih/protonskih kanalov in izolirajočih plinih. Ta članek ima elektrolizatorje alkalnih (ALK) inProton Exchange Membrana(Pem)ElektrolizatorjiKot primeri za analizo delovnega mehanizma, glavne zmogljivosti in smeri izboljšanja membranskih materialov ter analizo pomembnosti membranskih materialov za referenco v industriji.

1 alkalni elektroliški (ALK)

- Delovni mehanizem: hidroksilni ioni (OH-) prehajajo skozi porozne membrana

Načelo proizvodnje vodika v alkalnih elektrolizatorjih je, da se pri katodi molekule vode razgradijo v vodikove ione in hidroksidne ione. Hidroksilni ioni (OH-) prehajajo skozi porozno membrano, da dosežejo anodo pod delovanjem električnega polja med katodo in anodo ter izgubijo elektrone, da ustvarijo molekule vode in molekule kisika; Vodikovi ioni ostanejo pri katodi, da pridobijo elektrone, ustvarjajo atome vodika in nadaljujejo z vodikovimi molekulami in vodikovim plinom;

Slika: Shematski diagram načela alkalnega elektroliranja

V zgodnjih dneh je bil azbest uporabljen kot diafragmo, vendar je otekanje azbesta v alkalnih elektrolitih in škoda azbesta za človeško telo postopoma odpravljalo. Trenutno je diafragma, ki se pogosto uporablja v industriji, nova sestavljena diafragma, ki temelji na tkanini polifenilen sulfida (PPS).

DiafragmaAlkalni elektrolijski elektroliški elektroliški strojIma vlogo pri ionski prevodi in izolaciji plina v alkalnem elektrolizatorju. Njegova debelina, hidrofilnost, poroznost in velikost por so tesno povezani z zmogljivostjo elektrolize (vključno z odpornostjo, električno gostoto, porabo energije na enoto proizvodnje vodika itd.), Pomemben vpliv pa tudi na čistost vodika.

—— Materialne lastnosti: ionska prevodnost in tesnost zraka sta njeni ključni značilnosti, ki vplivajo na odpor, čistost in varnost.

1) Ionska prevodnost je povezana s hidrofilnostjo, ki vpliva na električno gostoto in odpornost.

Ena od funkcij diafragme je omogočiti prosto gibanje ionov. V vezju elektrolizerja, kjer se pojavi reakcija, v raztopini obstajajo hidroksidni ioni. Zato bo hidrofilnost/hidrofobnost diafragme in raztopine neposredno vplivala na ionsko prevodnost, to je odpornost.

Teoretično je boljša hidrofilnost, boljša je prevodnost, nižja je notranja upornost in manjša poraba energije na enoto vodika; Hkrati lahko boljša hidrofilnost zagotovi tudi, da se ioni prehajajo, medtem ko izolirajo vodik in kisik. Trenutno je večina raziskav osredotočena tudi na to, kako izboljšati hidrofilnost diafragme.

2) Diafragma izolira vodik in kisik, tesnost zraka pa vpliva na čistost.

Druga ključna funkcija diafragme je izolacija vodika in kisika, ki nastane v elektrokatalitičnem procesu. Diafragma loči katodno komoro od anodne komore in izhaja iz elektrolizatorja skozi njihove pretočne kanale, da doseže ločitev vodika in kisika. Zaradi nihanj tlačne razlike med katodo in anodo med delovanjem bosta zračna tesnost in stabilnost diafragme vplivala na čistost vtičnice in je tudi ključna za zagotovitev varnega delovanja elektrolizerja.

—— Physično izboljšanje: Kompozitna membrana lahko izboljša ustrezno delovanje diafragme s prilagajanjem poroznosti in debeline.

Za izboljšanje učinkovitosti membranskega materiala na eni strani raziskovanje različnih institucij še naprej izboljšuje delovanje samega materiala; Po drugi strani se funkcionalna prevleka nanese na površino tkanine PPS, da se izboljša ustrezne zmogljivosti, ki tvori kompozitno diafragmo "sendvič".

Kompozitna diafragma je v glavnem prevlečena z mešanico polimera in cirkonijevega oksida na njegovi površini enakomerno. Njegova sestava in razmerje ter izbira procesa prevleke sta ključna za vplivanje na delovanje diafragme.

Med njimi so poroznost, velikost por in debelina nekaj kazalnikov za oceno kompozitnega membranskega procesa.

Slika: kompozitni material PPS

1) Ravnovesje med velikostjo por in poroznostjo vpliva na odpornost in nepredušnost.

Funkcija pore je zagotoviti kanal za prenos anionov in kationov v elektrolitu, zmanjšati notranjo odpornost procesa elektrolize, hkrati pa izolirati vodik in kisik. Če je velikost por prevelika, bo vplivala na zračnost diafragme in če je premajhna, bo prenos ionov oviral. Enako velja za poroznost. Zato sta učinkovita zasnova in nadzor pore zelo pomembna. Velikost por in poroznost diafragme morata doseči optimalno vrednost, da se zagotovi hkrati visoka zračnost in nizka notranja upornost diafragme. Zato je v središču raziskav diafragme tudi optimizacija strukture por.

Slika: SEM pore različnih sestavljenih materialov

2) Debelina same diafragme mora izpolnjevati tudi ravnovesje med nizko notranjo odpornostjo in močno podporo.

Za sestavljene diafragme je debelina tudi pomemben parameter. Debelina vpliva na fizično trdnost diafragme in notranjo odpornost elektrolitske celice. Debelejša je debelina, močnejša je notranja, vendar večja je notranja upornost elektrolitske celice. Debelina membrane, ki je trenutno na trgu, je na splošno približno 500 μm do 600 μm.

2 Proton Exchange Membrana Elektrolizator (PEM)

- Delovni mehanizem: vodikovi protoni prehajajo skoziProton Exchange Membrana

TheMembranski membrani proton Exchange Exchangesam se je razvil iz trdnega polimernega elektrolita elektrolizarja (SPE). Zaradi odkritja in preboja membrane perfluorosulfonske kisline, ki jo je odkril DuPont, je bila poimenovana po membranskem materialu in imenovana protonska membranska membrana elektrolizator. Do danes jih večina še vedno uporablja in izboljša na DuPontovi tehnologiji membrane perfluorosulfonske kisline.

Za razliko od načela alkalnih elektrolizarjev PEM elektrolizatorji ne uporabljajo hidroksidnih ionov za prehod skozi diafragmo, ampak vodikovi protoni (H+), da prehajajo skozi membrano protonske izmenjave. To pomeni, da se na pozitivni elektrodi pojavi reakcija hidrolize, da nastane vodikove protone (H+), elektrone (E-) in kisik. Protoni prehajajo skozi membrano PEM in se združijo z elektroni, da postanejo vodikovi atomi, vodikovi atomi pa se združujejo med seboj, da tvorijo molekule vodika.

Slika: Načelo PEM elektrolizatorja (slika iz literature) - Lastnosti materiala: Protonska prevodnost in zračnost sta ključni lastnosti

1) Protonska prevodnost PEM je povezana z vsebnostjo vode, kar vpliva na odpornost in električno gostoto.

Membrana protonske izmenjave je sestavljena iz ionskega polimera perfluorosulfonske kisline (PSA), ki je v bistvu kopolimer tetrafluoroetilena (TFE) in različnih monomerov perfluorosulfonske kisline. Protone izvajajo ionske polimere, in sicer skupine sulfonske kisline. Skupine sulfonske kisline so hidrofilne skupine in lahko tvorijo hidrofilna območja v bližini. Protoni se bolj verjetno premikajo na območjih z zadostno vsebnostjo vode, kar olajša doseganje nizke odpornosti in visoke električne gostote za celoten elektrolizator, poraba energije na enoto proizvodnje vodika pa je tudi nižja.

2) PEM se lahko hitro odzove na spremembe električne energije, tako da ima velike zahteve za zračnost.

Učinkovitost protonske prevodnosti membrane protonske izmenjave je boljša od učinkovitosti alkalne učinkovitosti elektrolizacijske ionske prevodnosti in se lahko hitro odzove na spremembe vhodne moči. Ko je moč nizka, se bo zmanjšala tudi proizvodnja plina kisika in vodika. Če tesnost zraka ni dobra, se bo koncentracija nečistoč v kisiku in vodiku povečala, kar povzroči nevarnost.

—— - Physics in njeno izboljšanje: Prilagoditev debeline membrane PEM in kombinacija plasti difuzije katalizatorja in plina bosta povečala njegovo prednost.

1) Debelina mora najti ravnovesje med prevodnostjo in stabilnostjo.

Trenutno je debelina membrane protonske izmenjave na splošno med 100 do 175 μm. Debelina membrane protonske izmenjave neposredno vpliva na protonsko prevodnost. Tanjša je debelina, manjša je upor protona čez membrano. Toda hkrati ima pretočna membrana slabo silo proti spreminjanju, mehansko stabilnost in tesnost zraka. Trenutno je debelina membrane PEM tudi ključna raziskovalna smer.

2) Porozna struktura plasti katalizatorja in podporna struktura plasti difuzije plina lahko vplivata na funkcijo membrane. Katalitična plast, ki jo tvori katalizator, je pravi kraj, kjer se reakcija pojavi v membranski elektrodi PEM elektrolizatorja. Površina delcev katalizatorja je treba tesno povezati z membrano protonske izmenjave, da se prenašajo protone. Puhasta porozna struktura katalitične plasti lahko poveča učinkovitost protonske prevodnosti. Čeprav plast difuzije plina ne sodeluje neposredno v reakciji, zagotavlja kanale za vodo, plin, toploto itd. In ima zaščitno vlogo. Mora imeti določeno prilagodljivost, da zaščiti katalitično plast in protonsko membrano pred poškodbami, hkrati pa mora imeti določeno togost za podporo tanjši protonski membrani itd.

Slika: Shematski diagram arhitekture membranske elektrode PEM elektrolizarja (slika iz literature)

Zaključek

Ne glede na to, ali z vidika relativno zrele tehnologije alkalne elektrolizerja ali tehnologije protonske izmenjave membrane, ki nenehno prebija, igrajo membranski materiali zelo pomembno vlogo, najpomembnejše funkcije pa so prenos ionov/protonov in izoliranja plinov.

Za izboljšanje učinkovitosti membrane se na splošno izvajajo raziskave o izboljšanju prevodnosti ionov/protonov za zmanjšanje odpornosti, hkrati pa zagotavljajo tesnost in stabilnost zraka. Natančneje, na eni strani bodo raziskave opravljene okoli značilnosti samega materiala, vključno s hidrofilnostjo (absorpcija vode), prevodnostjo, tesnostjo zraka, kemično stabilnostjo itd.; Po drugi strani pa bomo še naprej iskali ravnovesje glede na debelino membrane, poroznost, mehansko podporo itd. S prilagoditvijo lastne zmogljivosti ali sodelovanjem z drugimi materiali.