Hvor vigtigt er membranmaterialet i elektrolysatoren

Den aktuelt kendteElektrolysatorer har forskellige principper og navngivningen afElectrolyzer Type er tæt knyttet til membranmaterialet.

DeMembran Materiale er et nøglemateriale, der bestemmer reaktionsmekanismen, arbejdseffektiviteten, stabiliteten og sikkerheden af ​​elektrolysatoren og er også en af ​​de vigtigste komponenter i Electrolyzer -udstyret. Membranmaterialet spiller en vigtig rolle i tilvejebringelsen af ​​ion/protonkanaler og isolering af gasser. Denne artikel tager alkaliske (ALK) elektrolysere ogProtonudvekslingsmembran(PEM)ElektrolysatorerSom eksempler til analyse af arbejdsmekanismen, hovedresultaterne og forbedringsretningen for membranmaterialer og analyserer vigtigheden af ​​membranmaterialer til industriens reference.

1 Alkaline Electrolyzer (ALK)

- Arbejdsmekanisme: Hydroxylioner (OH-) passerer gennem porøse membraner

Princippet om brintproduktion hos alkaliske elektrolysere er, at vandmolekyler ved katoden nedbrydes vandmolekyler til hydrogenioner og hydroxidioner. Hydroxylioner (OH-) passerer gennem den porøse membran for at nå anoden under virkningen af ​​det elektriske felt mellem katoden og anoden, og mister elektroner for at generere vandmolekyler og iltmolekyler; Hydrogenioner forbliver ved katoden for at vinde elektroner, generere hydrogenatomer og genererer yderligere brintmolekyler og brintgas;

Figur: Skematisk diagram over princippet om alkalisk elektrolyser

I de tidlige dage blev asbest anvendt som et membranmateriale, men hævelsen af ​​asbest i alkaliske elektrolytter, og skaden af ​​asbest til den menneskelige krop gjorde det gradvist elimineret. På nuværende tidspunkt er membranen, der er meget anvendt i industrien, en ny sammensat membran baseret på polyphenylensulfid (PPS) stof.

Membranen afAlkalisk elektrolysatorspiller en rolle i ionledning og gasisolering i den alkaliske elektrolysator. Dens tykkelse, hydrofilicitet, porøsitet og porestørrelse er tæt knyttet til elektrolysens ydeevne (inklusive resistens, elektrisk densitet, enhedens strømforbrug af brintproduktion osv.) Og har også en vigtig indflydelse på brintens renhed.

— - Materialeegenskaber: Ionledningsevne og lufttæthed er dens nøgleegenskaber, der påvirker modstand, renhed og sikkerhed.

1) Ionisk ledningsevne er relateret til hydrofilicitet, der påvirker elektrisk densitet og resistens.

En af membranens funktioner er at tillade den frie bevægelse af ioner. I kredsløbet af elektrolysatoren, hvor reaktionen forekommer, findes hydroxidioner i opløsningen. Derfor vil hydrofiliciteten/hydrofobiciteten af ​​membranen og opløsningen direkte påvirke ionledningsevnen, det vil sige modstanden.

I teorien, jo bedre er hydrofiliciteten, jo bedre er ledningsevnen, jo lavere er den interne modstand, og jo lavere er strømforbruget pr. Enhed hydrogenudgang; På samme tid kan bedre hydrofilicitet også sikre, at ioner passerer igennem, mens det isolerer brint og ilt. På nuværende tidspunkt er mest forskning også fokuseret på, hvordan man forbedrer membranens hydrofilicitet.

2) Membranen isolerer brint og ilt, og lufttætheden påvirker renheden.

En anden nøglefunktion af membranen er at isolere brint og ilt produceret i den elektrokatalytiske proces. Membranen adskiller katodekammeret fra anodekammeret og flyder ud af elektrolysatoren gennem deres respektive strømningskanaler for at opnå adskillelse af brint og ilt. På grund af trykforskellens svingninger mellem katoden og anoden under drift, vil lufttætheden og stabiliteten af ​​membranen påvirke udløbet renhed, og det er også nøglen til at sikre, at elektrolysens sikre drift.

— - Fysisk forbedring: Den sammensatte membran kan forbedre den relevante ydelse af membranen ved at justere porøsiteten og tykkelsen.

Til forbedring af membranmaterialepræstation, på den ene side, fortsætter forskningen fra forskellige institutioner med at forbedre ydeevnen for selve materialet; På den anden side påføres den funktionelle belægning på overfladen af ​​PPS -stoffet for at forbedre den relevante ydelse og danne en "sandwich" -kompositmembran.

Den sammensatte membran er hovedsageligt coatet med en blanding af polymer- og zirkoniumoxid på dens overflade jævnt. Dens sammensætning og forhold og valget af belægningsproces er nøglen til at påvirke membranens ydeevne.

Blandt dem er porøsitet, porestørrelse og tykkelse nogle indikatorer for evaluering af sammensat membranproces.

Figur: PPS -kompositmateriale

1) Balancen mellem porestørrelse og porøsitet påvirker modstand og lufttæthed.

Poreens funktion er at tilvejebringe en kanal til transmission af anioner og kationer i elektrolytten, reducere elektrolyseprocessen, men også isolere brint og ilt. Hvis porestørrelsen er for stor, påvirkes membranens lufttæthed, og hvis den er for lille, vil transmission af ioner blive hindret. Det samme gælder for porøsitet. Derfor er effektiv design og kontrol af porerne meget vigtige. Membranens porøsitet og porøsitet skal nå en optimal værdi for at sikre høj lufttæthed og lav indre modstand af membranen på samme tid. Derfor er optimering af porestruktur også i fokus for membranforskning.

Figur: SEM -porer af forskellige sammensatte materialer

2) Tykkelsen af ​​selve membranen skal også imødekomme balancen mellem lav intern modstand og stærk støtte.

For sammensatte membraner er tykkelse også en vigtig parameter. Tykkelsen påvirker den fysiske styrke af membranen og den interne modstand af den elektrolytiske celle. Jo tykkere tykkelsen er, jo stærkere er understøttelsen, men jo større er den interne modstand af den elektrolytiske celle. Membranens tykkelse, der i øjeblikket er på markedet, er generelt omkring 500μm ~ 600μm.

2 Protonudvekslingsmembran Electrolyzer (PEM)

- Arbejdsmekanisme: brintprotoner passerer gennemProtonudvekslingsmembran

DeProtonudvekslingsmembran ElectrolyzerSelv udviklet sig fra den faste polymerelektrolytelektrolyser (SPE). På grund af opdagelsen og gennembrudet af perfluorosulfonsyremembranen opdaget af Dupont, blev det opkaldt efter membranmaterialet og kaldet Proton Exchange Membrane Electrolyzer. Indtil i dag bruges og forbedres de fleste af dem stadig på DuPont's perfluorosulfonsyre -membran -teknologi.

I modsætning til princippet om alkaliske elektrolysatorer bruger PEM -elektrolysatorer ikke hydroxidioner til at passere gennem membranen, men brintprotoner (H+) til at passere gennem protonudvekslingsmembranen. Det vil sige, at en hydrolysereaktion forekommer ved den positive elektrode til at producere brintprotoner (H+), elektroner (E-) og ilt. Protoner passerer gennem PEM -membranen og kombineres med elektroner for at blive hydrogenatomer, og hydrogenatomer kombineres med hinanden for at danne brintmolekyler.

Figur: Princippet om PEM Electrolyzer (figur fra litteratur) - Materielle egenskaber: Protonledningsevne og lufttæthed er nøgleegenskaber

1) PEM -protonledningsevnen er relateret til vandindholdet, der påvirker modstanden og den elektriske densitet.

Protonudvekslingsmembranen er sammensat af perfluorosulfonsyre (PSA) ionpolymer, som i det væsentlige er en copolymer af tetrafluoroethylen (TFE) og forskellige perfluorosulfonsyre -monomerer. Protoner udføres af ionpolymerer, nemlig sulfonsyregrupper. Sulfonsyregrupper er hydrofile grupper og kan danne hydrofile områder i nærheden af ​​dem. Protoner er mere tilbøjelige til at bevæge sig frit i områder med tilstrækkeligt vandindhold, hvilket gør det lettere at opnå lav modstand og høj elektrisk densitet for hele Electrolyzer, og strømforbruget pr. Enhed med brintproduktion er også lavere.

2) PEM kan reagere hurtigt på strømændringer, så det har høje krav til lufttæthed.

Protonledningseffektiviteten af ​​protonudvekslingsmembranen er bedre end den alkaliske elektrolysion ledningseffektivitet og kan reagere hurtigt på ændringer i indgangseffekten. Når strømmen er lav, vil gasproduktionen af ​​ilt og brint også falde. Hvis lufttætheden ikke er god, vil koncentrationen af ​​urenheder i ilt og brint stige, hvilket forårsager fare.

— - Fysik og dens forbedring: Tykkejusteringen af ​​PEM -membranen og kombinationen af ​​katalysator- og gasdiffusionslag øger dens ydelsesfordel.

1) Tykkelsen skal finde en balance mellem konduktivitet og stabilitet.

I øjeblikket er tykkelsen af ​​protonudvekslingsmembranen generelt mellem 100 ~ 175μm. Tykkelsen af ​​protonudvekslingsmembranen påvirker direkte protonledningsevnen. Jo tyndere tykkelsen, jo mindre er modstanden for proton over membranen. Men på samme tid har for tynd membran dårlig antisvingende kraft, mekanisk stabilitet og lufttæthed. På nuværende tidspunkt er tykkelsen af ​​PEM -membran også en vigtig forskningsretning.

2) Den porøse struktur af katalysatorlaget og den understøttende struktur af gasdiffusionslaget kan påvirke membranens funktion. Det katalytiske lag dannet af katalysatoren er det reelle sted, hvor reaktionen forekommer i membranelektroden af ​​PEM -elektrolysatoren. Overfladen af ​​katalysatorpartiklerne skal være tæt knyttet til protonudvekslingsmembranen for at overføre protoner. Den fluffy porøse struktur af det katalytiske lag kan øge protonledningseffektiviteten. Selvom gasdiffusionslaget ikke direkte deltager i reaktionen, giver det kanaler til vand, gas, varme osv. Og spiller en beskyttende rolle. Det skal have en vis fleksibilitet til at beskytte det katalytiske lag og protonmembranen mod at blive beskadiget, og på samme tid skal den have en vis stivhed til at understøtte den tyndere protonmembran osv.

Figur: Skematisk diagram over membranelektrodearkitekturen af ​​PEM Electrolyzer (figur fra litteraturen)

Konklusion

Uanset om det er fra perspektivet af den relativt modne alkaliske elektrolyseknologi eller protonudvekslingsmembranelektrolyseknologien, der konstant fremstiller gennembrud, spiller membranmaterialer en meget vigtig rolle, og de vigtigste funktioner er at overføre ioner/protoner og isolere gasser.

Til forbedring af membranpræstation udføres forskning generelt omkring forbedring af ion/protonledningsevne for at reducere resistensen, samtidig med at lufttæthed og stabilitet og stabilitet. På den ene side vil der på den ene side blive udført forskning omkring egenskaberne ved selve materialet, herunder hydrofilicitet (vandabsorption), ledningsevne, lufttæthed, kemisk stabilitet osv.; På den anden side vil vi fortsætte med at finde en balance med hensyn til membrantykkelse, porøsitet, mekanisk støtte osv. Ved at justere vores egen ydeevne eller samarbejde med andre materialer.