Vật liệu màng quan trọng như thế nào trong chất điện phân

Hiện tại được biết đếnĐiện giải có các nguyên tắc khác nhau và việc đặt tên củaĐiện phân Loại có liên quan chặt chẽ đến vật liệu màng.

Cácmàng Vật liệu là một vật liệu chính xác định cơ chế phản ứng, hiệu quả làm việc, độ ổn định và an toàn của chất điện phân, và cũng là một trong những thành phần quan trọng nhất trong thiết bị điện phân. Vật liệu màng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các kênh ion/proton và khí phân lập. Bài viết này lấy các chất điện phân kiềm (ALK) vàMàng trao đổi proton(PEM)Điện giảiNhư các ví dụ để phân tích cơ chế làm việc, hiệu suất chính và hướng cải thiện của vật liệu màng và phân tích tầm quan trọng của vật liệu màng để tham khảo ngành công nghiệp.

1 điện phân kiềm (ALK)

- Cơ chế làm việc: Các ion hydroxyl (OH-) đi qua màng xốp

Nguyên tắc sản xuất hydro trong các chất điện phân kiềm là tại catốt, các phân tử nước được phân hủy thành các ion hydro và ion hydroxit. Các ion hydroxyl (OH-) đi qua màng xốp để đến cực dương dưới tác dụng của điện trường giữa cực âm và cực dương, và mất các electron để tạo ra các phân tử nước và các phân tử oxy; Các ion hydro vẫn ở catốt để đạt được các electron, tạo ra các nguyên tử hydro và tạo ra các phân tử hydro và khí hydro;

Hình: Sơ đồ nguyên lý của chất điện phân kiềm

Trong những ngày đầu, amiăng đã được sử dụng làm vật liệu cơ hoành, nhưng sự sưng của amiăng trong chất điện phân kiềm và tác hại của amiăng đối với cơ thể con người đã dần bị loại bỏ. Hiện tại, cơ hoành được sử dụng rộng rãi trong ngành là một cơ hoành tổng hợp mới dựa trên vải polyphenylen sulfide (PPS).

Cơ hoành củaĐiện phân kiềmđóng vai trò trong dẫn truyền ion và phân lập khí trong chất điện phân kiềm. Độ dày, tính ưa nước, độ xốp và kích thước lỗ rỗng của nó có liên quan chặt chẽ đến hiệu suất điện phân (bao gồm điện trở, mật độ điện, tiêu thụ năng lượng đơn vị sản xuất hydro, v.v.), và cũng có tác động quan trọng đến độ tinh khiết của hydro.

Tính chất vật chất của vật liệu: Độ dẫn ion và độ kín không khí là đặc điểm chính của nó, ảnh hưởng đến sức đề kháng, độ tinh khiết và an toàn.

1) Độ dẫn ion có liên quan đến tính ưa nước, ảnh hưởng đến mật độ điện và điện trở.

Một trong những chức năng của cơ hoành là cho phép chuyển động tự do của các ion. Trong mạch của chất điện phân nơi xảy ra phản ứng, các ion hydroxit tồn tại trong dung dịch. Do đó, tính kỵ nước/tính kỵ nước của cơ hoành và dung dịch sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn ion, nghĩa là điện trở.

Về lý thuyết, tính ưa nước càng tốt, độ dẫn của càng tốt, điện trở bên trong càng thấp và mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi đơn vị sản lượng hydro càng thấp; Đồng thời, tính ưa nước tốt hơn cũng có thể đảm bảo rằng các ion đi qua trong khi phân lập hydro và oxy. Hiện tại, hầu hết các nghiên cứu cũng tập trung vào cách cải thiện tính kỵ nước của cơ hoành.

2) Cơ hoành phân lập hydro và oxy, và độ căng của không khí ảnh hưởng đến độ tinh khiết.

Một chức năng quan trọng khác của cơ hoành là cách ly hydro và oxy được tạo ra trong quá trình điện phân. Cơ hoành ngăn cách buồng catốt với buồng cực dương và chảy ra khỏi chất điện phân thông qua các kênh dòng chảy tương ứng của chúng để đạt được sự phân tách hydro và oxy. Do sự dao động chênh lệch áp suất giữa cực âm và cực dương trong quá trình hoạt động, độ kín không khí và độ ổn định của cơ hoành sẽ ảnh hưởng đến độ tinh khiết của ổ cắm, và nó cũng là chìa khóa để đảm bảo hoạt động an toàn của điện phân.

Cải thiện vật lý: Màng tổng hợp có thể cải thiện hiệu suất liên quan của cơ hoành bằng cách điều chỉnh độ xốp và độ dày.

Để cải thiện hiệu suất vật liệu màng, một mặt, nghiên cứu của các tổ chức khác nhau tiếp tục cải thiện hiệu suất của chính vật liệu; Mặt khác, lớp phủ chức năng được áp dụng cho bề mặt của vải PPS để cải thiện hiệu suất có liên quan, tạo thành một cơ hoành "bánh sandwich".

Cơ hoành tổng hợp chủ yếu được phủ một hỗn hợp polymer và oxit zirconium trên bề mặt của nó. Thành phần và tỷ lệ của nó, và sự lựa chọn của quá trình phủ là chìa khóa để ảnh hưởng đến hiệu suất của cơ hoành.

Trong số đó, độ xốp, kích thước lỗ rỗng và độ dày là một số chỉ số để đánh giá quá trình màng tổng hợp.

Hình: Vật liệu tổng hợp PPS

1) Sự cân bằng giữa kích thước lỗ rỗng và độ xốp ảnh hưởng đến sức đề kháng và độ kín khí.

Chức năng của lỗ rỗng là cung cấp một kênh để truyền các anion và cation trong chất điện phân, làm giảm điện trở bên trong của quá trình điện phân, nhưng cũng phân lập hydro và oxy. Nếu kích thước lỗ rỗng quá lớn, độ kín của cơ hoành sẽ bị ảnh hưởng và nếu nó quá nhỏ, việc truyền các ion sẽ bị cản trở. Điều tương tự cũng đúng với độ xốp. Do đó, thiết kế hiệu quả và kiểm soát lỗ chân lông là rất quan trọng. Kích thước lỗ rỗng và độ xốp của cơ hoành phải đạt giá trị tối ưu để đảm bảo độ kín khí cao và điện trở bên trong thấp của cơ hoành cùng một lúc. Do đó, việc tối ưu hóa cấu trúc lỗ rỗng cũng là trọng tâm của nghiên cứu cơ hoành.

Hình: SEM lỗ chân lông của các vật liệu composite khác nhau

2) Độ dày của cơ hoành cũng phải đáp ứng sự cân bằng giữa điện trở bên trong thấp và hỗ trợ mạnh mẽ.

Đối với các cơ hoành tổng hợp, độ dày cũng là một tham số quan trọng. Độ dày ảnh hưởng đến sức mạnh vật lý của cơ hoành và điện trở bên trong của tế bào điện phân. Độ dày càng dày, sự hỗ trợ càng mạnh, nhưng điện trở bên trong của tế bào điện phân càng lớn. Độ dày của cơ hoành hiện có trên thị trường thường là khoảng 500μm ~ 600μm.

2 Màng trao đổi proton Máy điện phân (PEM)

- Cơ chế làm việc: Các proton hydro đi quaMàng trao đổi proton

Cácbộ điện phân màng trao đổi protonBản thân nó đã phát triển từ chất điện phân polymer rắn (SPE). Do sự phát hiện và đột phá của màng axit perfluorosulfonic được DuPont phát hiện, nó được đặt theo tên của vật liệu màng và được gọi là điện phân màng trao đổi proton. Cho đến ngày nay, hầu hết trong số chúng vẫn được sử dụng và cải thiện trên công nghệ màng axit perfluorosulfonic của DuPont.

Không giống như nguyên tắc của chất điện phân kiềm, các chất điện phân PEM không sử dụng các ion hydroxit để đi qua cơ hoành, nhưng các proton hydro (H+) để đi qua màng trao đổi proton. Đó là, một phản ứng thủy phân xảy ra ở điện cực dương để tạo ra các proton hydro (H+), electron (E-) và oxy. Các proton đi qua màng PEM và kết hợp với các electron để trở thành nguyên tử hydro và các nguyên tử hydro kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử hydro.

Hình: Nguyên tắc của chất điện phân PEM (Hình từ văn học) - Tính chất vật chất: Độ dẫn điện và độ kín khí là tính chất chính

1) Độ dẫn proton của PEM có liên quan đến hàm lượng nước, ảnh hưởng đến điện trở và mật độ điện.

Màng trao đổi proton bao gồm polymer ion perfluorosulfonic (PSA), về cơ bản là một chất đồng trùng hợp của tetrafluoroetylen (TFE) và các đơn phân axit perfluorosulfonic khác nhau. Các proton được tiến hành bởi các polyme ion, cụ thể là các nhóm axit sulfonic. Các nhóm axit sulfonic là các nhóm ưa nước và có thể tạo thành các khu vực ưa nước gần chúng. Các proton có nhiều khả năng di chuyển tự do ở các khu vực có đủ hàm lượng nước, giúp dễ dàng đạt được điện trở thấp và mật độ điện cao cho toàn bộ chất điện phân, và mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị sản xuất hydro cũng thấp hơn.

2) PEM có thể đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi năng lượng, vì vậy nó có yêu cầu cao về độ kín khí.

Hiệu quả dẫn truyền proton của màng trao đổi proton tốt hơn so với hiệu quả dẫn điện ion điện phân kiềm và có thể đáp ứng nhanh chóng với những thay đổi về công suất đầu vào. Khi năng lượng thấp, việc sản xuất khí của oxy và hydro cũng sẽ giảm. Nếu độ kín không khí không tốt, nồng độ tạp chất trong oxy và hydro sẽ tăng lên, gây nguy hiểm.

Vật lý và sự cải thiện của nó: Điều chỉnh độ dày của màng PEM và sự kết hợp giữa chất xúc tác và lớp khuếch tán khí sẽ làm tăng lợi thế hiệu suất của nó.

1) Độ dày cần tìm sự cân bằng giữa độ dẫn và độ ổn định.

Hiện tại, độ dày của màng trao đổi proton thường nằm trong khoảng 100 ~ 175μm. Độ dày của màng trao đổi proton ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn của proton. Độ dày càng mỏng, điện trở của proton càng nhỏ trên màng. Nhưng đồng thời, màng quá mỏng có lực chống swelling kém, độ ổn định cơ học và độ kín không khí. Hiện tại, độ dày của màng PEM cũng là một hướng nghiên cứu chính.

2) Cấu trúc xốp của lớp xúc tác và cấu trúc hỗ trợ của lớp khuếch tán khí có thể ảnh hưởng đến chức năng của màng. Lớp xúc tác được hình thành bởi chất xúc tác là nơi thực sự mà phản ứng xảy ra trong điện cực màng của chất điện phân PEM. Bề mặt của các hạt xúc tác cần được liên kết chặt chẽ với màng trao đổi proton để chuyển các proton. Cấu trúc xốp mịn của lớp xúc tác có thể làm tăng hiệu quả dẫn truyền proton. Mặc dù lớp khuếch tán khí không trực tiếp tham gia vào phản ứng, nhưng nó cung cấp các kênh cho nước, khí, nhiệt, v.v. và đóng vai trò bảo vệ. Nó phải có một sự linh hoạt nhất định để bảo vệ lớp xúc tác và màng proton khỏi bị tổn thương, đồng thời, nó phải có độ cứng nhất định để hỗ trợ màng proton mỏng hơn, v.v.

Hình: Sơ đồ sơ đồ của kiến ​​trúc điện cực màng của điện phân PEM (hình từ tài liệu)

Phần kết luận

Cho dù từ quan điểm của công nghệ điện phân kiềm tương đối trưởng thành hay công nghệ điện phân màng trao đổi proton liên tục tạo ra các bước đột phá, vật liệu màng đóng vai trò rất quan trọng và các chức năng quan trọng nhất là chuyển các ion/proton và phân lập khí.

Để cải thiện hiệu suất của màng, nghiên cứu thường được thực hiện xung quanh việc cải thiện độ dẫn ion/proton để giảm điện trở, đồng thời đảm bảo độ căng và độ ổn định của không khí. Cụ thể, một mặt, nghiên cứu sẽ được thực hiện xung quanh các đặc điểm của chính vật liệu, bao gồm tính kỵ nước (hấp thụ nước), độ dẫn, độ căng của không khí, ổn định hóa học, v.v .; Mặt khác, chúng tôi sẽ tiếp tục tìm thấy sự cân bằng về độ dày màng, độ xốp, hỗ trợ cơ học, v.v. bằng cách điều chỉnh hiệu suất của chúng tôi hoặc hợp tác với các vật liệu khác.