Наскільки важливим є мембранний матеріал в електролізері

В даний час відомийЕлектролізатори мають різні принципи та іменуванняЕлектролізер Тип тісно пов'язаний з мембранним матеріалом.

Змембрана Матеріал - це ключовий матеріал, який визначає механізм реакції, ефективність роботи, стабільність та безпека електролізера, а також є одним з найважливіших компонентів електролізорового обладнання. Мембранний матеріал відіграє важливу роль у забезпеченні іонних/протонних каналів та ізоляційних газів. Ця стаття приймає лужні (ALK) електролізери таМембрана Proton Exchange(PEM)ЕлектролізаториЯк приклади аналізу робочого механізму, основних показників та вдосконалення напрямку мембранних матеріалів та аналізу важливості мембранних матеріалів для довідки промисловості.

1 лужний електролізер (ALK)

- робочий механізм: іони гідроксилу (OH-) проходять через пористі мембрани

Принцип вироблення водню в лужних електролізерах полягає в тому, що в катоді молекули води розкладаються на іони водню та іони гідроксиду. Іони гідроксилу (OH-) проходять через пористу мембрану, щоб дістатися до анода під дією електричного поля між катодом і анодом, і втратити електрони для отримання молекул води та молекул кисню; Іони водню залишаються на катоді, щоб отримати електрони, генерувати атоми водню та додатково генерувати молекули водню та водневий газ;

Малюнок: Схематична схема принципу лужного електролізера

У перші дні азбест був використаний як діафрагмський матеріал, але набряк азбесту в лужних електролітах і шкода азбесту в організм людини змусила його поступово усунути. В даний час діафрагма широко використовується в галузі, - це нова композитна діафрагма на основі тканини поліфенілену сульфіду (PPS).

Діафрагмалужний електролізерВідіграє роль у провідності іонів та виділенні газу в лужному електролізі. Її товщина, гідрофільність, пористість та розмір пор тісно пов'язані з продуктивністю електролізу (включаючи резистентність, електричну щільність, одиничне споживання потужності водню тощо), а також мають важливий вплив на чистоту водню.

—— Матеріальні властивості: провідність іонів та герметичність повітря - це її ключові характеристики, що впливають на опір, чистоту та безпеку.

1) Іонна провідність пов'язана з гідрофільністю, що впливає на електричну щільність та опір.

Однією з функцій діафрагми є забезпечення вільного руху іонів. У ланцюзі електролізер, де відбувається реакція, іони гідроксиду існують у розчині. Тому гідрофільність/гідрофобність діафрагми та розчину безпосередньо впливатимуть на провідність іонів, тобто резистентність.

Теоретично, чим краща гідрофільність, чим краща провідність, тим менший внутрішній опір і чим менший споживання електроенергії на одиницю виходу водню; У той же час, краща гідрофільність також може забезпечити проходження іонів, виділяючи водень та кисень. В даний час більшість досліджень також зосереджені на тому, як покращити гідрофільність діафрагми.

2) Діафрагма ізолює водень і кисень, а герметичність повітря впливає на чистоту.

Ще одна ключова функція діафрагми - це виділення водню та кисню, що виробляється в електрокаталітичному процесі. Діафрагма відокремлює катодну камеру від анодної камери і витікає з електролізера через їх відповідні канали потоку для досягнення поділу водню та кисню. Через коливання різниці тиску між катодом та анодом під час роботи, герметичність повітря та стабільність діафрагми впливатимуть на чистоту виходу, а також є ключем для забезпечення безпечної роботи електролізора.

—— Фізичне вдосконалення: композитна мембрана може покращити відповідні показники діафрагми, регулюючи пористість та товщину.

Для вдосконалення продуктивності мембранного матеріалу, з одного боку, дослідження різних інститутів продовжує покращувати продуктивність самого матеріалу; З іншого боку, функціональне покриття наноситься на поверхню тканини PPS для поліпшення відповідних показників, утворюючи композитну діафрагму "сендвіч".

Композитна діафрагма в основному покрита сумішшю полімеру та оксиду цирконію на його поверхні рівномірно. Його склад та співвідношення та вибір процесу покриття є ключовим фактором впливу на продуктивність діафрагми.

Серед них пористість, розмір пор та товщина - деякі показники для оцінки процесу композитної мембрани.

Малюнок: композитний матеріал PPS

1) Баланс між розміром пор та пористістю впливає на опір та герметичність.

Функція пори полягає в тому, щоб забезпечити канал для передачі аніонів та катіонів в електроліті, зменшити внутрішню стійкість процесу електролізу, а також ізолювати водень та кисень. Якщо розмір пор буде занадто великим, нагромадженість діафрагми вплине, і якщо вона занадто мала, передача іонів буде перешкоджати. Те саме стосується пористості. Тому ефективна конструкція та контроль порів дуже важливі. Розмір пори та пористість діафрагми повинні досягти оптимального значення, щоб забезпечити високу герметичність та низьку внутрішню опір діафрагми одночасно. Тому оптимізація структури пор також є фокусом досліджень діафрагми.

Малюнок: Пори SEM різних композитних матеріалів

2) Товщина самої діафрагми також повинна відповідати балансу між низьким внутрішнім опором і сильною підтримкою.

Для складених діафрагм товщина також є важливим параметром. Товщина впливає на фізичну силу діафрагми та внутрішню опір електролітичної клітини. Чим товща товщина, тим сильніша підтримка, але тим більший внутрішній опір електролітичної клітини. Товщина діафрагми, яка зараз на ринку, як правило, становить близько 500 мкм ~ 600 мкм.

2 Мембрана Proton Exchange Електролізер (PEM)

- робочий механізм: протони водню проходять черезМембрана Proton Exchange

ЗЕлектролізер мембрани протонуСам еволюціонував із суцільного електролітового електролізора (SPE). Через відкриття та прорив мембрани перфторозульфонової кислоти, виявленого DuPont, він був названий на честь мембранного матеріалу і називався електролізером мембрани протонової обміну. На сьогоднішній день більшість з них все ще використовуються та вдосконалюються за технологією мембрани перфторусульфоносної кислоти Dupont.

На відміну від принципу лужних електролізерів, електролізатори PEM не використовують іони гідроксиду для проходження через діафрагму, а протони водню (Н+), щоб пройти через мембрану протонового обміну. Тобто реакція гідролізу відбувається на позитивному електроді для отримання водневих протонів (Н+), електронів (Е-) та кисню. Протони проходять через мембрану PEM і з'єднуються з електронами, щоб стати атомами водню, а атоми водню поєднуються між собою для утворення молекул водню.

Малюнок: Принцип PEM Electrolyzer (мал. Література) - Матеріальні властивості: Протонна провідність та герметичність є ключовими властивостями

1) Протонна провідність ПЕМ пов'язана з вмістом води, що впливає на опір та електричну щільність.

Мембрана протонного обміну складається з іонного полімеру перфторосульфонової кислоти (PSA), який, по суті, є сополімером тетрафторетилену (TFE) та різними мономерами перфторосульфонової кислоти. Протони проводяться іонними полімерами, а саме групами сульфонової кислоти. Групи сульфонової кислоти є гідрофільними групами і можуть утворювати гідрофільні ділянки біля них. Протони частіше вільно рухаються в районах з достатнім вмістом води, що полегшує досягнення низької стійкості та високої електричної щільності для всього електролізера, а споживання електроенергії на одиницю виробництва водню також нижче.

2) PEM може швидко реагувати на зміни електроенергії, тому він має високі вимоги до герметичності.

Ефективність протонної провідності мембрани протонного обміну краща, ніж ефективність лужної електролізорової іонної провідності, і може швидко реагувати на зміни вхідної потужності. Коли потужність низька, вироблення газу кисню та водню також зменшиться. Якщо герметичність повітря не є хорошою, концентрація домішок кисню та водню збільшуватиметься, що спричиняє небезпеку.

—— Фізика та її вдосконалення: коригування товщини мембрани PEM та комбінація каталізатора та дифузійного шару збільшить його перевагу.

1) Товщина повинна знайти баланс між провідністю та стабільністю.

В даний час товщина мембрани протонного обміну, як правило, становить від 100 ~ 175 мкм. Товщина мембрани протонного обміну безпосередньо впливає на протонну провідність. Чим тонша товщина, тим менший опір протона через мембрану. Але в той же час занадто тонка мембрана має погану силу проти руйнування, механічну стабільність та герметичність повітря. В даний час товщина мембрани PEM також є ключовим напрямком дослідження.

2) Пориста структура шару каталізатора та опорна структура шару дифузії газу можуть впливати на функцію мембрани. Каталітичний шар, утворений каталізатором, є справжнім місцем, де реакція відбувається в мембранному електроді електролізора PEM. Поверхня частинок каталізатора повинна бути тісно пов'язана з мембраною обміну протоном для перенесення протонів. Пухнаста пориста структура каталітичного шару може підвищити ефективність проводу протону. Хоча шар дифузії газу не бере безпосередньо в реакції, він забезпечує канали води, газу, тепла тощо, і відіграє захисну роль. Він повинен мати певну гнучкість для захисту каталітичного шару та протонної мембрани від пошкодження, і в той же час він повинен мати певну жорсткість для підтримки більш тонкої протонної мембрани тощо.

Малюнок: Схематична схема архітектури мембранної електрода електролізера PEM (мал. З літератури)

Висновок

Незалежно від того, чи то з точки зору відносно зрілої технології лужної електролізора, або технології електроліцерів протонної обміну, яка постійно здійснює прориви, мембранні матеріали відіграють дуже важливу роль, і найважливіші функції - передача іонів/протонів та ізоляції газів.

Для покращення продуктивності мембрани дослідження, як правило, проводяться навколо покращення провідності іонів/протонів для зниження опору, забезпечуючи при цьому жорсткість та стабільність повітря. Зокрема, з одного боку, дослідження будуть проводитись навколо характеристик самого матеріалу, включаючи гідрофільність (поглинання води), провідність, напругу повітря, хімічну стабільність тощо; З іншого боку, ми продовжуватимемо знаходити баланс з точки зору товщини мембрани, пористості, механічної підтримки тощо, коригуючи власну продуктивність або співпрацюючи з іншими матеріалами.