Hoe belangrijk is het membraanmateriaal in de elektrolyzer

De momenteel bekendeElektrolyzers hebben verschillende principes, en de naamgeving van deElektrolyzer Type is nauw verwant aan het membraanmateriaal.

Demembraan Materiaal is een belangrijk materiaal dat het reactiemechanisme, werkefficiëntie, stabiliteit en veiligheid van de elektrolyzer bepaalt en ook een van de belangrijkste componenten in de elektrolyzerapparatuur is. Het membraanmateriaal speelt een belangrijke rol bij het leveren van ionen/protonkanalen en het isoleren van gassen. Dit artikel neemt alkalische (ALK) elektrolyzers enprotonuitwisselingsmembraan(PEM)Elektrolyzersals voorbeelden om het werkmechanisme, de belangrijkste prestaties en de verbeteringsrichting van membraanmaterialen te analyseren en het belang van membraanmaterialen voor industriële referentie analyseert.

1 alkalische elektrolyzer (ALK)

- Werkmechanisme: hydroxylionen (OH-) passeren poreuze membranen

Het principe van waterstofproductie in alkalische elektrolyzers is dat bij de kathode watermoleculen worden ontleed in waterstofionen en hydroxide -ionen. Hydroxylionen (OH-) gaan door het poreuze membraan om de anode te bereiken onder de werking van het elektrische veld tussen de kathode en de anode, en verliezen elektronen om watermoleculen en zuurstofmoleculen te genereren; Waterstofionen blijven bij de kathode om elektronen te verkrijgen, waterstofatomen te genereren en verder waterstofmoleculen en waterstofgas te genereren;

Figuur: Schematisch diagram van het principe van alkalische elektrolyzer

In de begindagen werd asbest gebruikt als een diafragma -materiaal, maar de zwelling van asbest in alkalische elektrolyten en de schade van asbest aan het menselijk lichaam maakte het geleidelijk geëlimineerd. Momenteel is het diafragma dat veel wordt gebruikt in de industrie een nieuw samengesteld diafragma op basis van polyfenyleensulfide (PPS) -stof.

Het diafragma van dealkalische elektrolyzerSpeelt een rol bij iongeleiding en gasisolatie in de alkalische elektrolyzer. De dikte, hydrofiliciteit, porositeit en poriegrootte zijn nauw verwant aan de elektrolyseprestaties (inclusief weerstand, elektrische dichtheid, eenheid stroomverbruik van waterstofproductie, enz.), En hebben ook een belangrijke invloed op de zuiverheid van waterstof.

- - Materiële eigenschappen: iongeleidbaarheid en luchtdichtheid zijn de belangrijkste kenmerken, die weerstand, zuiverheid en veiligheid beïnvloeden.

1) Ionische geleidbaarheid is gerelateerd aan hydrofiliciteit, wat de elektrische dichtheid en weerstand beïnvloedt.

Een van de functies van het diafragma is om het vrije verkeer van ionen toe te staan. In het circuit van de elektrolyzer waar de reactie optreedt, bestaan ​​er hydroxide -ionen in de oplossing. Daarom heeft de hydrofiliciteit/hydrofobiciteit van het diafragma en de oplossing direct invloed op de iongeleidbaarheid, dat wil zeggen de weerstand.

In theorie, hoe beter de hydrofiliciteit, hoe beter de geleidbaarheid, hoe lager de interne weerstand en hoe lager het stroomverbruik per waterstofuitgang; Tegelijkertijd kan een betere hydrofiliciteit er ook voor zorgen dat ionen doorgaan tijdens het isoleren van waterstof en zuurstof. Momenteel is het meeste onderzoek ook gericht op het verbeteren van de hydrofiliciteit van het diafragma.

2) Het diafragma isoleert waterstof en zuurstof en de luchtdichtheid beïnvloedt de zuiverheid.

Een andere belangrijke functie van het diafragma is het isoleren van de waterstof en zuurstof geproduceerd in het elektrokatalytische proces. Het diafragma scheidt de kathodekamer van de anodekamer en stroomt door hun respectieve stroomkanalen uit de elektrolyzer om de scheiding van waterstof en zuurstof te bereiken. Vanwege het drukverschil fluctuaties tussen de kathode en de anode tijdens de werking, hebben de luchtdichtheid en stabiliteit van het diafragma de zuiverheid van de uitlaat beïnvloed en is het ook de sleutel om de veilige werking van de elektrolyzer te waarborgen.

- - Fysische verbetering: het composietmembraan kan de relevante prestaties van het diafragma verbeteren door de porositeit en dikte aan te passen.

Voor de verbetering van de prestaties van het membraanmateriaal, enerzijds, blijft het onderzoek van verschillende instellingen de prestaties van het materiaal zelf verbeteren; Aan de andere kant wordt de functionele coating op het oppervlak van de PPS -stof toegepast om de relevante prestaties te verbeteren, waardoor een "sandwich" composiet diafragma wordt gevormd.

Het composiet diafragma is voornamelijk gecoat met een mengsel van polymeer en zirkoniumoxide op het oppervlak gelijkmatig. De samenstelling en verhouding, en de keuze van het coatingproces zijn de sleutel tot het beïnvloeden van de prestaties van het diafragma.

Onder hen zijn porositeit, poriegrootte en dikte enkele indicatoren voor de evaluatie van het composietmembraanproces.

Figuur: PPS composietmateriaal

1) De balans tussen poriegrootte en porositeit beïnvloedt weerstand en luchtdichtheid.

De functie van de porie is om een ​​kanaal te bieden voor de overdracht van anionen en kationen in de elektrolyt, de interne weerstand van het elektrolyseproces te verminderen, maar ook waterstof en zuurstof te isoleren. Als de poriegrootte te groot is, wordt de luchtdichtheid van het diafragma beïnvloed en als het te klein is, wordt de overdracht van ionen gehinderd. Hetzelfde geldt voor porositeit. Daarom zijn effectief ontwerp en controle van de poriën erg belangrijk. De poriegrootte en porositeit van het diafragma moeten een optimale waarde bereiken om een ​​hoge luchtdichtheid en lage interne weerstand van het diafragma tegelijkertijd te garanderen. Daarom is de optimalisatie van poriestructuur ook de focus van diafragma -onderzoek.

Figuur: SEM -poriën van verschillende composietmaterialen

2) De dikte van het diafragma zelf moet ook voldoen aan de balans tussen lage interne weerstand en sterke ondersteuning.

Voor samengestelde diafragma's is de dikte ook een belangrijke parameter. De dikte beïnvloedt de fysieke sterkte van het diafragma en de interne weerstand van de elektrolytische cel. Hoe dikker de dikte, hoe sterker de steun, maar hoe groter de interne weerstand van de elektrolytische cel. De dikte van het diafragma dat momenteel op de markt is, is over het algemeen ongeveer 500 μm ~ 600 μm.

2 Protonuitwisselingsmembraan Elektrolyzer (PEM)

- Werkmechanisme: waterstofprotonen gaan door deProtonuitwisselingsmembraan

Deprotonuitwisseling membraan elektrolyzerzichzelf evolueerde uit de elektrolyzer elektrolyzer (SPE) van de vaste polymeer. Vanwege de ontdekking en doorbraak van het perfluorosulfonzuurmembraan ontdekt door DuPont, werd het vernoemd naar het membraanmateriaal en de protonuitwisselingsmembraan elektrolyzer genoemd. Tot op de dag van vandaag worden de meeste van hen nog steeds gebruikt en verbeterd op de perfluorosulfonzuurmembraantechnologie van DuPont.

In tegenstelling tot het principe van alkalische elektrolyzers, gebruiken PEM -elektrolyzers geen hydroxide -ionen om door het diafragma te passeren, maar waterstofprotonen (H+) om door het protonuitwisselingsmembraan te gaan. Dat wil zeggen, een hydrolysereactie treedt op bij de positieve elektrode om waterstofprotonen (H+), elektronen (E-) en zuurstof te produceren. Protonen gaan door het PEM -membraan en combineren met elektronen om waterstofatomen te worden, en waterstofatomen combineren met elkaar om waterstofmoleculen te vormen.

Figuur: Principe van PEM -elektrolyzer (figuur uit literatuur) - Materiaaleigenschappen: protongeleidbaarheid en luchtdichtheid zijn belangrijke eigenschappen

1) De protongeleidbaarheid van PEM is gerelateerd aan het watergehalte, dat de weerstand en elektrische dichtheid beïnvloedt.

Het protonuitwisselingsmembraan bestaat uit perfluorosulfonzuur (PSA) ionpolymeer, dat in wezen een copolymeer is van tetrluorethyleen (TFE) en verschillende perfluorosulfonzuurmonomeren. Protonen worden uitgevoerd door ionpolymeren, namelijk sulfonzuurgroepen. Sulfonzuurgroepen zijn hydrofiele groepen en kunnen hydrofiele gebieden in de buurt vormen. Protonen hebben meer kans om vrij te bewegen in gebieden met voldoende watergehalte, waardoor het gemakkelijker is om een ​​lage weerstand en een hoge elektrische dichtheid voor de gehele elektrolyzer te bereiken, en het stroomverbruik per eenheid waterstofproductie is ook lager.

2) PEM kan snel reageren op stroomveranderingen, dus het heeft hoge vereisten voor luchtdichtheid.

De protongeleidingsefficiëntie van het protonuitwisselingsmembraan is beter dan die van de efficiëntie van de alkalische elektrolyzer iongeleidingsgeleiding en kan snel reageren op veranderingen in invoerkracht. Wanneer het vermogen laag is, zal de gasproductie van zuurstof en waterstof ook afnemen. Als de luchtdichtheid niet goed is, zal de concentratie van onzuiverheden in zuurstof en waterstof toenemen, wat gevaar veroorzaakt.

—— Fysica en de verbetering ervan: de dikte -aanpassing van het PEM -membraan en de combinatie van katalysator- en gasdiffusielaag zullen zijn prestatievoordeel vergroten.

1) De dikte moet een evenwicht vinden tussen geleidbaarheid en stabiliteit.

Momenteel ligt de dikte van het protonuitwisselingsmembraan in het algemeen tussen 100 ~ 175 μm. De dikte van het protonuitwisselingsmembraan heeft direct invloed op de protongeleidbaarheid. Hoe dunner de dikte, hoe kleiner de weerstand van proton over het membraan. Maar tegelijkertijd heeft een te dun membraan een slechte anti-zwelling, mechanische stabiliteit en luchtdichtheid. Momenteel is de dikte van PEM -membraan ook een belangrijke onderzoeksrichting.

2) De poreuze structuur van de katalysatorlaag en de ondersteunende structuur van de gasdiffusielaag kunnen de functie van het membraan beïnvloeden. De katalytische laag gevormd door de katalysator is de echte plaats waar de reactie optreedt in de membraanelektrode van de PEM -elektrolyzer. Het oppervlak van de katalysatordeeltjes moet nauw verbonden zijn met het protonuitwisselingsmembraan om protonen over te dragen. De pluizige poreuze structuur van de katalytische laag kan de efficiëntie van de protongeleiding verhogen. Hoewel de gasdiffusielaag niet direct deelneemt aan de reactie, biedt deze kanalen voor water, gas, warmte, enz., En speelt een beschermende rol. Het moet een bepaalde flexibiliteit hebben om de katalytische laag en het protonmembraan te beschermen tegen beschadigd, en tegelijkertijd moet het een bepaalde stijfheid hebben om het dunnere protonmembraan te ondersteunen, enz.

Afbeelding: Schematisch diagram van de membraanelektrode -architectuur van de PEM -elektrolyzer (figuur uit de literatuur)

Conclusie

Of het nu gaat om het perspectief van de relatief volwassen alkalische elektrolyzertechnologie of de protonuitwisselingsmembraan -elektrolyzertechnologie die constant doorbraken maakt, membraanmaterialen spelen een zeer belangrijke rol, en de belangrijkste functies zijn om ionen/protonen over te dragen en gassen te isoleren.

Voor de verbetering van de membraanprestaties wordt onderzoek in het algemeen uitgevoerd rond het verbeteren van ionen/protongeleidbaarheid om de weerstand te verminderen, terwijl luchtdichtheid en stabiliteit wordt gewaarborgd. In het bijzonder zal onderzoek worden uitgevoerd rond de kenmerken van het materiaal zelf, inclusief hydrofiliciteit (waterabsorptie), geleidbaarheid, luchtdichtheid, chemische stabiliteit, enz.; Aan de andere kant zullen we een evenwicht blijven vinden in termen van membraandikte, porositeit, mechanische ondersteuning, enz. Door onze eigen prestaties aan te passen of samen te werken met andere materialen.