Колико је важна мембрански материјал у електролиз

Тренутно познатЕлектролизери имају различите принципе и именовањеЕлектролиз Тип је уско повезан са мембранским материјалом.

Тхемембрана Материјал је кључни материјал који одређује механизам реакције, радну ефикасност, стабилност и сигурност електролизара и такође је једна од најважнијих компоненти у Електролизризерској опреми. Мембрански материјал игра важну улогу у пружању ионских / протонских канала и изолационих гасова. Овај чланак води алкалне (алк) електролизере иМембрана за размену протона(ПЕМ)ЕлектролизериКао примери за анализу радног механизма, главне перформансе и смер мембранских материјала и анализира важност мембранских материјала за референцу индустрије.

1 алкални електролиз (алк)

- Радни механизам: хидроксил јони (ох-) пролазе кроз порозне мембране

Принцип производње водоника у алкалним електролизовама је да се на катоди молекули воде разграђују у водонике и хидроксидне јоне. Хидроксил јони (ох-) пролазе кроз порозну мембрану да би достигли аноду под деловањем електричног поља између катоде и аноде и губећи електроне за генерисање молекула воде и молекула о кисеоницима; Иони водоника остају на катоди да би добили електроне, стварају атоме водоника и даље стварају молекуле водоника и водоник гас;

Слика: шематски дијаграм принципа алкалне електролиз

У раним данима, азбест је коришћен као дијафрагмски материјал, али отеклина азбеста у алкалним електролитима и штету азбеста према људском телу, учинила је да се постепено елиминише. Тренутно се дијафрагма широко користи у индустрији је нова композитна дијафрагма заснована на тканини полифенилен сулфида (ППС).

ДијафрагмаАлкалине ЕлецтролизерИгра улогу у ионском проводу и изолацији гаса у алкалном електролизру. Његова дебљина, хидрофилација, порозност и величина пора ублиза су се повезане са перформансама електролизе (укључујући отпорност, електричну густину, јединичну потрошњу електричне енергије водониковина производње итд.) И такође имају важан утицај на чистоћу водоника.

- Својства материјала: Ион Проводљивост и непропусност ваздуха су његове кључне карактеристике, што утичу на отпорност, чистоћу и сигурност.

1) Ионска проводљивост је повезана са хидрофилизацијом, што утиче на електричну густину и отпорност.

Једна од функција дијафрагме је омогућити слободно кретање јона. У кругу електролизма у којем се појављује реакција, у раствору постоје иони за хидроксид. Стога ће хидрофилност / хидрофобност дијафрагме и раствор директно утицати на проводљивост јона, односно отпора.

Теоретски, то је боља хидрофилација, то је боља проводљивост, нижа унутрашња отпорност и нижа потрошња електричне енергије по јединици хидроген производа; Истовремено, боља хидрофилација такође може осигурати да јони прођу кроз изолацију водоника и кисеоника. Тренутно је већина истраживања такође фокусирана на то како побољшати хидрофилизацију дијафрагме.

2) Дијафрагма изолати водоник и кисеоник, а непропусност ваздуха утиче на чистоћу.

Друга кључна функција дијафрагме је изоловање водоника и кисеоника произведеног у електрокаталистичком процесу. Дијафрагма раздваја катодну комору из коморе Аноде и пролази из електролија кроз своје канале протока како би се постигло одвајање водоника и кисеоника. Због разлике притиска између катоде и аноде током рада, непропусност ваздуха и стабилност дијафрагме утицаће на чистоћу утичнице, а такође је и тастер да се осигура сигуран рад електролија.

- Физичко побољшање: Композитна мембрана може побољшати релевантне перформансе дијафрагме прилагођавањем порозности и дебљине.

За побољшање перформанси мембранских материјала, с једне стране, истраживање различитих институција и даље побољшава перформансе самог материјала; С друге стране, функционалан премаз се наноси на површину ППС тканине за побољшање релевантних перформанси, формирајући "сендвич" композитну дијафрагму.

Композитна дијафрагма је углавном обложена мешавином полимера и цирконијум-оксида на равномерној површини. Његов састав и однос и избор процеса премаза су кључ за утицај на перформансе дијафрагме.

Међу њима, порозност, величина пора и дебљине неки су показатељи за процену композитне мембранске процесе.

Слика: ППС композитни материјал

1) Стање између величине пора и порозности утиче на отпорност и непромотљивост.

Функција Поре је да се канал обезбеди за пренос аниона и катиона у електролиту, смањите унутрашњу отпорност процеса електролизе, али и изоловање водоника и кисеоника. Ако је величина пора је превелика, утицати ће утицати на збрињавање дијафрагме и ако је премали, пренос јона ће се ометати. Исто је и за порозност. Стога су ефикасни дизајн и контрола пора су веома важни. Величина и порозност порозитета и порозност дијафрагме морају достићи оптималну вредност како би се у исто време осигурала висока непропусност и низак унутрашњи отпор дијафрагме истовремено. Стога је оптимизација структуре пора је и фокус дијафрагма истраживања.

Слика: Сем поре различитих композитних материјала

2) Дебљина само дијафрагме мора да испуни и равнотежу између ниске унутрашње отпорности и снажне подршке.

За композитне дијафрагме дебљине је такође важан параметар. Дебљина утиче на физичку снагу дијафрагме и унутрашњег отпора електролитичке ћелије. Дебљина дебљина, јача подршка, али већа је унутрашња отпорност електролитичке ћелије. Дебљина дијафрагме тренутно на тржишту је углавном око 500 μм ~ 600 μм.

2 Мембрана за размену протона Елецтролизер (ПЕМ)

- Радни механизам: пролазе водоник пролазе крозМембрана за размену протона

ТхеМембрана протонске размене Електролизсама је еволуирала из солидне полимерне електролите електролита (СПЕ). Због открића и пробоја мембране Перфлуоросулфонске киселине коју је ДиПонт открио, добио је име по мембранском материјалу и назвао је Електролизацију мембране протона. До данас се већина њих још увек користи и побољшала на Дупонтовој перфлуоросулфонској технологији мембране.

За разлику од принципа алкалних електролизатора, Електролизатори ПЕМ-а не користе јони хидроксида да би прошли кроз дијафрагму, већ протони водоника (Х +) да би прошли кроз мембрану протонске размене. То јест, реакција хидролизе настаје у позитивној електроди за производњу водоника (Х +), електрони (е-) и кисеоник. Протони пролазе кроз ПЕМ мембрану и комбинују се са електронима да постану атоми водоника и атоми водоника се међусобно комбинују једни са другима да би се формирали молекуле водоника.

Слика: Принцип ПЕМ Елецтролизер (Слика из литературе) - Својства материјала: Проводљивост проводљивости и непропусност су кључна својства

1) Проводљивост ПЕМ-а односи се на садржај воде, који утиче на отпорност и електричну густину.

Мембрана за размену протона састоји се од перфлуоросулфонске киселине (ПСА) ионског полимера, која је у основи кополимер тетрафлуороетилена (ТФЕ) и различитог парфлуоросулфонске киселине мономера. Протоне спроводе ионске полимере, наиме групе сулфонске киселине. Групе сулфонске киселине су хидрофилне групе и могу формирати хидрофилна подручја у близини њих. Протони су већа вероватноћа да ће се слободно кретати у областима са довољно садржаја воде, што је олакшало постизање ниске отпорности и високе електричне густине за цео електролизну енергију, а потрошња електричне енергије по јединици производње водоника и нижи.

2) ПЕМ може брзо да одговори на промене напајања, тако да има високе захтеве за непропусност.

Протонска ефикасност протока мембране протонске размене је боља од оне ефикасности водоотјељковања електролизара и може брзо да одговори на промене улазне снаге. Када је снага ниска, производња гаса и водоника такође ће се смањити. Ако непропусност ваздуха није добра, концентрација нечистоћа кисеоника и водоника ће се повећати, изазивајући опасност.

- Физика и његово побољшање: Подешавање дебљине ПЕМ мембране и комбинација слоја дифузије катализатора и гаса повећаће предност перформанси.

1) Дебљина мора да нађе равнотежу између проводљивости и стабилности.

Тренутно је дебљина мембране размјене протона углавном између 100 ~ 175 уМ. Дебљина мембране протонске размене директно утиче на проводљивост проводљивости. Штањи дебљина, мања отпорност протона преко мембране. Али истовремено, превише танка мембрана има лоше силе против отеклине, механичку стабилност и непропусност ваздуха. Тренутно је дебљина ПЕМ мембране такође кључни истраживачки смер.

2) Порозна структура слоја катализатора и пратећа структура слоја дифузије гаса може утицати на функцију мембране. Каталитички слој формиран од катализатора је право место где се реакција догоди у мембранској електроди ПЕМ Елецтролизер-а. Површина честица катализатора мора бити уско повезана са мембраном протонске размене за пренос протона. Флуффи Порозна структура каталитичког слоја може повећати ефикасност протока протока. Иако слој дифузије гаса не учествује директно у реакцији, он пружа канале за воду, гас, топлоту итд. И игра заштитну улогу. Мора имати одређену флексибилност да заштити каталитички слој и протон мембране од оштећења и истовремено мора имати одређену ригидност да подржи тањи протон мембрану итд.

Слика: Схематски дијаграм архитектуре мембране електроде ПЕМ Елецтролизер (лик из литературе)

Закључак

Без обзира да ли је из перспективе релативно зреле алкалне електролизне технологије или технологије електролизних технологија размјене протонске размене, мембрански материјали, а мембрански материјали играју веома важну улогу, а најважније функције су пренос јона / протона и изолационих гасова.

За побољшање перформанси мембране, истраживање се углавном врши око побољшања ионске / проводљивости за смањење отпорности, истовремено осигуравајући непропусност ваздуха и стабилности. Конкретно, с једне стране, истраживање ће се спроводити око карактеристика самог материјала, укључујући хидрофилизацију (апсорпција воде), проводљивости, непропусност ваздуха, хемијска стабилност итд.; С друге стране, и даље ћемо пронаћи равнотежу у погледу мембране дебљине, порозности, механичке подршке итд. подешавањем сопственог учинка или сарадње са другим материјалима.