Quelle est l'importance du matériau membranaire de l'électrolyseur

Le actuellement connuÉlectrolyseurs ont des principes différents et la dénomination duÉlectrolyseur Le type est étroitement lié au matériau de la membrane.

Lemembrane Le matériau est un matériau clé qui détermine le mécanisme de réaction, l'efficacité de travail, la stabilité et la sécurité de l'électrolyzer, et est également l'un des composants les plus importants de l'équipement d'électrolyzer. Le matériau membranaire joue un rôle important dans la fourniture de canaux ion / protons et d'isolement des gaz. Cet article prend des électrolyseurs alcalins (ALK) etmembrane d'échange de protons(Pem)ÉlectrolyseursComme exemples pour analyser le mécanisme de travail, les performances principales et la direction d'amélioration des matériaux membranaires et analysent l'importance des matériaux membranaires pour la référence de l'industrie.

1 électrolyzer alcalin (ALK)

- Mécanisme de travail: les ions hydroxyles (OH-) passent à travers des membranes poreuses

Le principe de la production d'hydrogène dans les électrolyseurs alcalins est qu'à la cathode, les molécules d'eau sont décomposées en ions hydrogène et en ions d'hydroxyde. Les ions hydroxyle (OH-) passent à travers la membrane poreuse pour atteindre l'anode sous l'action du champ électrique entre la cathode et l'anode, et perdent des électrons pour générer des molécules d'eau et des molécules d'oxygène; Les ions hydrogène restent à la cathode pour gagner des électrons, générer des atomes d'hydrogène et générer davantage des molécules d'hydrogène et de l'hydrogène gazeux;

Figure: Diagramme schématique du principe de l'électrolyseur alcalin

Au début, l'amiante a été utilisé comme matériau de diaphragme, mais le gonflement de l'amiante dans les électrolytes alcalins et le mal de l'amiante au corps humain l'ont progressivement éliminé. À l'heure actuelle, le diaphragme largement utilisé dans l'industrie est un nouveau diaphragme composite basé sur un tissu de sulfure de polyphénylène (PPS).

Le diaphragme duélectrolyzer alcalinjoue un rôle dans la conduction ionique et l'isolement du gaz dans l'électrolyzer alcalin. Son épaisseur, son hydrophilie, sa porosité et sa taille de pores sont étroitement liées aux performances d'électrolyse (y compris la résistance, la densité électrique, la consommation d'énergie unitaire de la production d'hydrogène, etc.), et ont également un impact important sur la pureté de l'hydrogène.

—— Propriétés de matériaux: la conductivité des ions et l'étanchéité de l'air sont ses caractéristiques clés, affectant la résistance, la pureté et la sécurité.

1) La conductivité ionique est liée à l'hydrophilie, affectant la densité électrique et la résistance.

L'une des fonctions du diaphragme est de permettre la libre circulation des ions. Dans le circuit de l'électrolyzer où la réaction se produit, des ions hydroxydes existent dans la solution. Par conséquent, l'hydrophilicité / hydrophobicité du diaphragme et la solution affecteront directement la conductivité ionique, c'est-à-dire la résistance.

En théorie, meilleure est l'hydrophilicité, meilleure est la conductivité, plus la résistance interne est faible et plus la consommation électrique par unité de débit d'hydrogène; Dans le même temps, une meilleure hydrophilicité peut également garantir que les ions passent tout en isolant de l'hydrogène et de l'oxygène. À l'heure actuelle, la plupart des recherches se concentrent également sur la façon d'améliorer l'hydrophilie du diaphragme.

2) Le diaphragme isole l'hydrogène et l'oxygène, et le resserrement de l'air affecte la pureté.

Une autre fonction clé du diaphragme est d'isoler l'hydrogène et l'oxygène produit dans le processus électrocatalytique. Le diaphragme sépare la chambre de cathode de la chambre d'anode et s'écoule de l'électrolyzer à travers leurs canaux d'écoulement respectifs pour réaliser la séparation de l'hydrogène et de l'oxygène. En raison des fluctuations de la différence de pression entre la cathode et l'anode pendant le fonctionnement, l'étanchéité de l'air et la stabilité du diaphragme affecteront la pureté de la sortie, et c'est également la clé pour assurer le fonctionnement sûr de l'électrolyzer.

— - Amélioration physique: la membrane composite peut améliorer les performances pertinentes du diaphragme en ajustant la porosité et l'épaisseur.

Pour l'amélioration de la performance des matériaux membranaires, d'une part, la recherche de diverses institutions continue d'améliorer les performances du matériel lui-même; D'un autre côté, le revêtement fonctionnel est appliqué à la surface du tissu PPS pour améliorer les performances pertinentes, formant un diaphragme composite "sandwich".

Le diaphragme composite est principalement recouvert d'un mélange de polymère et d'oxyde de zirconium sur sa surface uniformément. Sa composition et son rapport, et le choix du processus de revêtement sont la clé pour affecter les performances du diaphragme.

Parmi eux, la porosité, la taille des pores et l'épaisseur sont quelques indicateurs pour l'évaluation du processus de membrane composite.

Figure: matériau composite PPS

1) L'équilibre entre la taille des pores et la porosité affecte la résistance et l'étanchéité.

La fonction du pore est de fournir un canal pour la transmission d'anions et de cations dans l'électrolyte, de réduire la résistance interne du processus d'électrolyse, mais également d'isoler l'hydrogène et l'oxygène. Si la taille des pores est trop grande, l'étanchéité de l'air du diaphragme sera affectée et si elle est trop petite, la transmission des ions sera entravée. Il en va de même pour la porosité. Par conséquent, la conception et le contrôle efficaces des pores sont très importants. La taille des pores et la porosité du diaphragme doivent atteindre une valeur optimale pour assurer une étanche à air élevé et une faible résistance interne du diaphragme en même temps. Par conséquent, l'optimisation de la structure des pores est également au centre de la recherche sur le diaphragme.

Figure: Pores SEM de différents matériaux composites

2) L'épaisseur du diaphragme elle-même doit également répondre à l'équilibre entre une faible résistance interne et un fort soutien.

Pour les diaphragmes composites, l'épaisseur est également un paramètre important. L'épaisseur affecte la résistance physique du diaphragme et la résistance interne de la cellule électrolytique. Plus l'épaisseur est épais, plus le support est fort, mais plus la résistance interne de la cellule électrolytique est grande. L'épaisseur du diaphragme actuellement sur le marché est généralement d'environ 500 μm ~ 600 μm.

2 Membrane d'échange de protons Électrolyzer (PEM)

- Mécanisme de travail: les protons d'hydrogène passent à travers leMembrane d'échange de protons

LeElectrolyzer à membrane d'échange de protonslui-même a évolué à partir de l'électrolyseur d'électrolyte en polymère solide (SPE). En raison de la découverte et de la percée de la membrane d'acide perfluorosulfonique découverte par Dupont, elle a été nommée d'après le matériau de la membrane et appelée électrolyzer de la membrane d'échange de protons. À ce jour, la plupart d'entre eux sont toujours utilisés et améliorés sur la technologie de la membrane d'acide perfluorosulfonique de DuPont.

Contrairement au principe des électrolyseurs alcalins, les électrolyseurs PEM n'utilisent pas les ions d'hydroxyde pour passer à travers le diaphragme, mais les protons d'hydrogène (H +) pour passer à travers la membrane d'échange de protons. Autrement dit, une réaction d'hydrolyse se produit à l'électrode positive pour produire des protons d'hydrogène (H +), des électrons (E-) et de l'oxygène. Les protons traversent la membrane PEM et se combinent avec des électrons pour devenir des atomes d'hydrogène, et les atomes d'hydrogène se combinent pour former des molécules d'hydrogène.

Figure: Principe de l'électrolyzer PEM (Figure de la littérature) - Propriétés des matériaux: la conductivité des protons et l'étanchéité sont des propriétés clés

1) La conductivité du proton du PEM est liée à la teneur en eau, qui affecte la résistance et la densité électrique.

La membrane d'échange de protons est composée de polymère ionique d'acide perfluorosulfonique (PSA), qui est essentiellement un copolymère de tétrafluoroéthylène (TFE) et différents monomères d'acide perfluorosulfonique. Les protons sont menés par des polymères ioniques, à savoir les groupes d'acide sulfonique. Les groupes d'acide sulfonique sont des groupes hydrophiles et peuvent former des zones hydrophiles à proximité d'eux. Les protons sont plus susceptibles de se déplacer librement dans des zones avec une teneur en eau suffisante, ce qui facilite la réduction de la faible résistance et de la densité électrique élevée pour l'ensemble de l'électrolyzer, et la consommation d'énergie par unité de production d'hydrogène est également plus faible.

2) Le PEM peut répondre rapidement aux changements de puissance, il a donc des exigences élevées pour l'étanchéité.

L'efficacité de la conduction de protons de la membrane d'échange de protons est meilleure que celle de l'efficacité de la conduction des ions électrolyez alcaline et peut répondre rapidement aux changements de puissance d'entrée. Lorsque la puissance est faible, la production de gaz d'oxygène et d'hydrogène diminuera également. Si l'étanchéité de l'air n'est pas bonne, la concentration d'impuretés dans l'oxygène et l'hydrogène augmentera, provoquant un danger.

— - Physique et son amélioration: le réglage de l'épaisseur de la membrane PEM et la combinaison de la couche de diffusion de catalyseur et de gaz augmenteront son avantage de performance.

1) L'épaisseur doit trouver un équilibre entre la conductivité et la stabilité.

Actuellement, l'épaisseur de la membrane d'échange de protons se situe généralement entre 100 et 175 μm. L'épaisseur de la membrane d'échange de protons affecte directement la conductivité des protons. Plus l'épaisseur est mince, plus la résistance de la proton est petite à travers la membrane. Mais en même temps, la membrane trop mince a une mauvaise force anti-aiguisant, la stabilité mécanique et l'étanchéité de l'air. À l'heure actuelle, l'épaisseur de la membrane PEM est également une direction de recherche clé.

2) La structure poreuse de la couche de catalyseur et la structure de support de la couche de diffusion de gaz peuvent affecter la fonction de la membrane. La couche catalytique formée par le catalyseur est l'endroit réel où la réaction se produit dans l'électrode membranaire de l'électrolyzer PEM. La surface des particules de catalyseur doit être étroitement liée à la membrane d'échange de protons pour transférer des protons. La structure poreuse moelleuse de la couche catalytique peut augmenter l'efficacité de la conduction des protons. Bien que la couche de diffusion du gaz ne participe pas directement à la réaction, elle fournit des canaux pour l'eau, le gaz, la chaleur, etc., et joue un rôle protecteur. Il doit avoir une certaine flexibilité pour protéger la couche catalytique et la membrane de protons contre les dommages, et en même temps, il doit avoir une certaine rigidité pour soutenir la membrane de proton plus mince, etc.

Figure: Diagramme schématique de l'architecture de l'électrode membranaire de l'électrolyzer PEM (figure de la littérature)

Conclusion

Que ce soit du point de vue de la technologie d'électrolyzer alcaline relativement mature ou de la technologie d'électrolyzer membranaire d'échange de protons qui fait constamment des percées, les matériaux membranaires jouent un rôle très important, et les fonctions les plus importantes sont de transférer des ions / protons et des gaz isolés.

Pour l'amélioration des performances de la membrane, la recherche est généralement effectuée autour de l'amélioration de la conductivité des ions / protons pour réduire la résistance, tout en assurant l'étanchéité et la stabilité de l'air. Plus précisément, d'une part, des recherches seront menées autour des caractéristiques du matériau lui-même, y compris l'hydrophilie (absorption d'eau), la conductivité, l'étanchéité de l'air, la stabilité chimique, etc.; D'un autre côté, nous continuerons à trouver un équilibre en termes d'épaisseur de membrane, de porosité, de support mécanique, etc. en ajustant nos propres performances ou en coopérant avec d'autres matériaux.