Hvor viktig er membranmaterialet i elektrolyzer

Den for øyeblikket kjenteElektrolysere har forskjellige prinsipper, og navngiving avElektrolyzer Type er nært beslektet med membranmaterialet.

Demembran Materiale er et nøkkelmateriale som bestemmer reaksjonsmekanismen, arbeidseffektiviteten, stabiliteten og sikkerheten til elektrolyzer, og er også en av de viktigste komponentene i elektrolyzerutstyret. Membranmaterialet spiller en viktig rolle i å gi ion/protonkanaler og isolere gasser. Denne artikkelen tar alkaliske (ALK) elektrolysere ogProtonutvekslingsmembran(PEM)ElektrolysereSom eksempler for å analysere arbeidsmekanismen, hovedytelsen og forbedringsretningen til membranmaterialer, og analyserer viktigheten av membranmaterialer for industriens referanse.

1 alkalisk elektrolyzer (ALK)

- Arbeidsmekanisme: Hydroksylioner (OH-) passerer gjennom porøse membraner

Prinsippet om hydrogenproduksjon i alkaliske elektrolysere er at ved katoden blir vannmolekyler dekomponert i hydrogenioner og hydroksydioner. Hydroksylioner (OH-) passerer gjennom den porøse membranen for å nå anoden under virkningen av det elektriske feltet mellom katoden og anoden, og mister elektroner for å generere vannmolekyler og oksygenmolekyler; Hydrogenioner forblir ved katoden for å få elektroner, generere hydrogenatomer og generere ytterligere hydrogenmolekyler og hydrogengass;

Figur: Skjematisk diagram over prinsippet om alkalisk elektrolyzer

I de første dagene ble asbest brukt som et membranmateriale, men hevelsen av asbest i alkaliske elektrolytter og skaden av asbest for menneskekroppen gjorde at den gradvis ble eliminert. For tiden er mellomgulvet som er mye brukt i bransjen en ny sammensatt membran basert på polyfenylensulfid (PPS) stoff.

Membranen tilAlkalisk elektrolyzerSpiller en rolle i ioneledning og gassisolering i den alkaliske elektrolyzeren. Tykkelsen, hydrofilisiteten, porøsiteten og porestørrelsen er nært relatert til elektrolyseytelsen (inkludert resistens, elektrisk tetthet, enhetens strømforbruk av hydrogenproduksjon, etc.), og har også en viktig innvirkning på hydrogenens renhet.

- - Materielle egenskaper: Ioneledningsevne og lufttetthet er dens viktigste egenskaper, noe som påvirker motstand, renhet og sikkerhet.

1) Ionisk konduktivitet er relatert til hydrofilisitet, og påvirker elektrisk tetthet og motstand.

En av membranens funksjoner er å tillate den frie bevegelsen av ioner. I kretsen til elektrolyzer der reaksjonen oppstår, eksisterer hydroksydioner i løsningen. Derfor vil hydrofilisiteten/hydrofobisiteten til mellomgulvet og løsningen direkte påvirke ioneledningsevnen, det vil si motstanden.

I teorien, jo bedre hydrofilisitet, jo bedre er konduktiviteten, jo lavere den indre motstanden og desto lavere strømforbruk per hydrogenutgang for enhet; Samtidig kan bedre hydrofilisitet også sikre at ioner går gjennom mens de isolerer hydrogen og oksygen. For tiden er mest forskning også fokusert på hvordan man kan forbedre hydrofilisiteten til mellomgulvet.

2) Membranen isolerer hydrogen og oksygen, og lufttettheten påvirker renheten.

En annen nøkkelfunksjon av mellomgulvet er å isolere hydrogenet og oksygen produsert i den elektrokatalytiske prosessen. Membranen skiller katodekammeret fra anodekammeret, og flyter ut av elektrolyzer gjennom sine respektive strømningskanaler for å oppnå separasjon av hydrogen og oksygen. På grunn av trykkforskjellens svingninger mellom katoden og anoden under drift, vil lufttettheten og stabiliteten til mellomgulvet påvirke rensen til utløpet, og det er også nøkkelen å sikre sikker drift av elektrolyseren.

- Fysisk forbedring: Den sammensatte membranen kan forbedre den aktuelle ytelsen til mellomgulvet ved å justere porøsiteten og tykkelsen.

For forbedring av membranmaterialytelsen, på den ene siden, fortsetter forskningen til forskjellige institusjoner å forbedre ytelsen til selve materialet; På den annen side påføres det funksjonelle belegget på overflaten av PPS -stoffet for å forbedre den aktuelle ytelsen, og danne en "sandwich" kompositt membran.

Den sammensatte membranen er hovedsakelig belagt med en blanding av polymer og zirkoniumoksyd på overflaten jevnt. Dens sammensetning og forhold, og valg av beleggprosess er nøkkelen til å påvirke ytelsen til mellomgulvet.

Blant dem er porøsitet, porestørrelse og tykkelse noen indikatorer for evaluering av sammensatt membranprosess.

Figur: PPS sammensatt materiale

1) Balansen mellom porestørrelse og porøsitet påvirker motstand og lufttetthet.

Porens funksjon er å tilveiebringe en kanal for overføring av anioner og kationer i elektrolytten, redusere den indre motstanden til elektrolyseprosessen, men også isolere hydrogen og oksygen. Hvis porestørrelsen er for stor, vil membranens lufttetthet bli påvirket, og hvis den er for liten, vil overføringen av ioner bli hindret. Det samme er tilfelle for porøsitet. Derfor er effektiv design og kontroll av porene veldig viktig. Porestørrelsen og porøsiteten til mellomgulvet må nå en optimal verdi for å sikre høy lufttetthet og lav indre motstand av mellomgulvet samtidig. Derfor er optimaliseringen av porestruktur også i fokus for mellomgulvforskning.

Figur: SEM -porer av forskjellige komposittmaterialer

2) Tykkelsen på mellomgulvet i seg selv må også oppfylle balansen mellom lav intern motstand og sterk støtte.

For sammensatte membraner er tykkelse også en viktig parameter. Tykkelsen påvirker membranens fysiske styrke og den indre motstanden til den elektrolytiske cellen. Jo tykkere tykkelse, jo sterkere er støtten, men jo større er den indre motstanden til den elektrolytiske cellen. Tykkelsen på mellomgulvet er for tiden på markedet generelt rundt 500μm ~ 600μm.

2 Protonutvekslingsmembran Electrolyzer (PEM)

- Arbeidsmekanisme: Hydrogenprotoner passerer gjennomProtonutvekslingsmembran

DeProtonutvekslingsmembran Electrolyzeri seg selv utviklet seg fra den faste polymerelektrolyttelektrolyzer (SPE). På grunn av oppdagelsen og gjennombruddet av perfluorosulfonsyremembranen oppdaget av DuPont, ble den oppkalt etter membranmaterialet og kalte protonutvekslingsmembranelektrolyzer. Til i dag er de fleste av dem fremdeles brukt og forbedret på DuPonts perfluorosulfonsyre -membranteknologi.

I motsetning til prinsippet om alkaliske elektrolysere, bruker ikke PEM -elektrolysere hydroksydioner for å passere gjennom mellomgulvet, men hydrogenprotoner (H+) for å passere gjennom protonutvekslingsmembranen. Det vil si at en hydrolysereaksjon oppstår ved den positive elektroden for å produsere hydrogenprotoner (H+), elektroner (E-) og oksygen. Protoner passerer gjennom PEM -membranen og kombineres med elektroner for å bli hydrogenatomer, og hydrogenatomer kombineres med hverandre for å danne hydrogenmolekyler.

Figur: Prinsipp for PEM Electrolyzer (figur fra litteratur) - Materielle egenskaper: Proton konduktivitet og lufttetthet er viktige egenskaper

1) Protonledningsevnen til PEM er relatert til vanninnholdet, noe som påvirker motstanden og elektrisk tetthet.

Protonutvekslingsmembranen er sammensatt av perfluorosulfonsyre (PSA) -ionpolymer, som i hovedsak er en kopolymer av tetrafluoroetylen (TFE) og forskjellige perfluorosulfonsyre -monomerer. Protoner blir utført av ionepolymerer, nemlig sulfonsyregrupper. Sulfonsyregrupper er hydrofile grupper og kan danne hydrofile områder i nærheten av dem. Det er mer sannsynlig at det er mer sannsynlig at det beveger seg fritt i områder med tilstrekkelig vanninnhold, noe som gjør det lettere å oppnå lav motstand og høy elektrisk tetthet for hele elektrolyzer, og strømforbruket per enhet hydrogenproduksjon er også lavere.

2) PEM kan svare raskt på strømforandringer, så det har høye krav til lufttetthet.

Protonledningseffektiviteten til protonutvekslingsmembranen er bedre enn den for den alkaliske elektrolyzerionledningseffektiviteten, og kan reagere raskt på endringer i inngangseffekten. Når strømmen er lav, vil gassproduksjonen av oksygen og hydrogen også avta. Hvis lufttettheten ikke er god, vil konsentrasjonen av urenheter i oksygen og hydrogen øke, noe som forårsaker fare.

— - Fysikk og forbedring av den: Tykkelsesjusteringen av PEM -membranen og kombinasjonen av katalysator- og gassdiffusjonslag vil øke ytelsesfordelen.

1) Tykkelsen trenger å finne en balanse mellom konduktivitet og stabilitet.

Foreløpig er tykkelsen på protonutvekslingsmembranen vanligvis mellom 100 ~ 175μm. Tykkelsen på protonutvekslingsmembranen påvirker direkte proton konduktiviteten. Jo tynnere tykkelse, desto mindre er motstanden til proton over membranen. Men samtidig har for tynn membran dårlig anti-svellende kraft, mekanisk stabilitet og lufttetthet. For tiden er tykkelsen på PEM -membranen også en viktig forskningsretning.

2) Den porøse strukturen til katalysatorlaget og støttestrukturen til gassdiffusjonslaget kan påvirke membranens funksjon. Det katalytiske laget dannet av katalysatoren er det virkelige stedet der reaksjonen oppstår i membranelektroden til PEM -elektrolyzer. Overflaten til katalysatorpartiklene må være nært knyttet til protonutvekslingsmembranen for å overføre protoner. Den fluffy porøse strukturen i det katalytiske laget kan øke protonledningseffektiviteten. Selv om gassdiffusjonslaget ikke direkte deltar i reaksjonen, gir det kanaler for vann, gass, varme, etc., og spiller en beskyttende rolle. Det må ha en viss fleksibilitet for å beskytte det katalytiske laget og protonmembranen fra å bli skadet, og samtidig må den ha en viss stivhet for å støtte den tynnere protonmembranen, etc.

Figur: Skjematisk diagram over membranelektrodearkitekturen til PEM -elektrolyzer (figur fra litteraturen)

Konklusjon

Enten fra perspektivet til den relativt modne alkaliske elektrolyzer -teknologien eller Proton Exchange Membrane Electrolyzer -teknologien som stadig gjør gjennombrudd, spiller membranmaterialer en veldig viktig rolle, og de viktigste funksjonene er å overføre ioner/protoner og isolere gasser.

For forbedring av membranytelsen utføres det generelt forskning rundt forbedring av ion/proton konduktivitet for å redusere motstand, samtidig som den sikrer tetthet og stabilitet i luft. Spesielt, på den ene siden, vil det bli forsket på selve egenskapene til selve materialet, inkludert hydrofilisitet (vannabsorpsjon), konduktivitet, lufttetthet, kjemisk stabilitet osv.; På den annen side vil vi fortsette å finne en balanse når det gjelder membrantykkelse, porøsitet, mekanisk støtte, etc. ved å justere vår egen ytelse eller samarbeide med andre materialer.