Gaano kahalaga ang materyal na lamad sa electrolyzer

Ang kasalukuyang kilalaElectrolyzers magkaroon ng iba't ibang mga prinsipyo, at ang pagbibigay ng pangalan ngElectrolyzer Ang uri ay malapit na nauugnay sa materyal na lamad.

Anglamad Ang materyal ay isang pangunahing materyal na tumutukoy sa mekanismo ng reaksyon, kahusayan sa pagtatrabaho, katatagan at kaligtasan ng electrolyzer, at isa rin sa pinakamahalagang sangkap sa kagamitan ng electrolyzer. Ang materyal na lamad ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa pagbibigay ng mga channel ng ion/proton at paghiwalayin ang mga gas. Ang artikulong ito ay tumatagal ng alkalina (alk) electrolyzers atProton Exchange Membrane(Pem)Electrolyzersbilang mga halimbawa upang pag -aralan ang mekanismo ng pagtatrabaho, pangunahing pagganap, at direksyon ng pagpapabuti ng mga materyales sa lamad, at pinag -aaralan ang kahalagahan ng mga materyales ng lamad para sa sanggunian sa industriya.

1 alkalina electrolyzer (ALK)

- Mekanismo ng Paggawa: Hydroxyl ions (OH-) ay dumaan sa mga maliliit na lamad

Ang prinsipyo ng paggawa ng hydrogen sa alkalina na electrolyzers ay na sa katod, ang mga molekula ng tubig ay nabulok sa mga ion ng hydrogen at mga hydroxide ion. Ang mga hydroxyl ion (OH-) ay dumaan sa porous membrane upang maabot ang anode sa ilalim ng pagkilos ng electric field sa pagitan ng katod at anode, at mawalan ng mga electron upang makabuo ng mga molekula ng tubig at mga molekula ng oxygen; Ang mga ion ng hydrogen ay nananatili sa katod upang makakuha ng mga electron, makabuo ng mga hydrogen atoms, at karagdagang makabuo ng mga molekula ng hydrogen at hydrogen gas;

Larawan: diagram ng eskematiko ng prinsipyo ng alkalina na Electrolyzer

Sa mga unang araw, ang asbestos ay ginamit bilang isang materyal na dayapragm, ngunit ang pamamaga ng mga asbestos sa alkalina na electrolyte at ang pinsala ng asbestos sa katawan ng tao ay unti -unting tinanggal. Sa kasalukuyan, ang dayapragm na malawakang ginagamit sa industriya ay isang bagong composite diaphragm batay sa tela ng polyphenylene sulfide (PPS).

Ang dayapragm ngAlkaline Electrolyzergumaganap ng isang papel sa pagpapadaloy ng ion at paghihiwalay ng gas sa alkalina na electrolyzer. Ang kapal nito, hydrophilicity, porosity at laki ng butas ay malapit na nauugnay sa pagganap ng electrolysis (kabilang ang paglaban, electric density, pagkonsumo ng yunit ng hydrogen, atbp.), At mayroon ding mahalagang epekto sa kadalisayan ng hydrogen.

- - Mga Katangian ng Material: Ang pag -uugali ng ion at higpit ng hangin ay ang mga pangunahing katangian nito, na nakakaapekto sa paglaban, kadalisayan at kaligtasan.

1) Ang pag -uugali ng ionic ay nauugnay sa hydrophilicity, na nakakaapekto sa electric density at paglaban.

Ang isa sa mga pag -andar ng dayapragm ay upang payagan ang libreng paggalaw ng mga ion. Sa circuit ng electrolyzer kung saan nangyayari ang reaksyon, umiiral ang mga ion ng hydroxide sa solusyon. Samakatuwid, ang hydrophilicity/hydrophobicity ng dayapragm at ang solusyon ay direktang makakaapekto sa pag -uugali ng ion, iyon ay, ang paglaban.

Sa teorya, mas mahusay ang hydrophilicity, mas mahusay ang kondaktibiti, mas mababa ang panloob na pagtutol, at mas mababa ang pagkonsumo ng kuryente sa bawat yunit ng hydrogen output; Kasabay nito, mas mahusay na masiguro ng mas mahusay na hydrophilicity na ang mga ions ay dumadaan habang naghihiwalay ng hydrogen at oxygen. Sa kasalukuyan, ang karamihan sa pananaliksik ay nakatuon din sa kung paano mapapabuti ang hydrophilicity ng dayapragm.

2) Ang dayapragm ay naghihiwalay ng hydrogen at oxygen, at ang higpit ng hangin ay nakakaapekto sa kadalisayan.

Ang isa pang pangunahing pag -andar ng dayapragm ay upang ibukod ang hydrogen at oxygen na ginawa sa proseso ng electrocatalytic. Ang dayapragm ay naghihiwalay sa silid ng katod mula sa silid ng anode, at dumadaloy sa labas ng electrolyzer sa pamamagitan ng kani -kanilang mga daloy ng daloy upang makamit ang paghihiwalay ng hydrogen at oxygen. Dahil sa pagbabago ng pagkakaiba -iba ng presyon sa pagitan ng katod at anode sa panahon ng operasyon, ang higpit ng hangin at katatagan ng dayapragm ay makakaapekto sa kadalisayan ng outlet, at ito rin ang susi upang matiyak ang ligtas na operasyon ng electrolyzer.

- - Ang pagpapabuti ng pisikal: Ang pinagsama -samang lamad ay maaaring mapabuti ang may -katuturang pagganap ng dayapragm sa pamamagitan ng pag -aayos ng porosity at kapal.

Para sa pagpapabuti ng pagganap ng materyal na lamad, sa isang banda, ang pananaliksik ng iba't ibang mga institusyon ay patuloy na pagbutihin ang pagganap ng materyal mismo; Sa kabilang banda, ang functional coating ay inilalapat sa ibabaw ng tela ng PPS upang mapabuti ang may -katuturang pagganap, na bumubuo ng isang "sandwich" composite diaphragm.

Ang composite diaphragm ay pangunahing pinahiran ng isang halo ng polimer at zirconium oxide sa ibabaw nito nang pantay. Ang komposisyon at ratio nito, at ang pagpili ng proseso ng patong ay ang susi upang maapektuhan ang pagganap ng dayapragm.

Kabilang sa mga ito, ang porosity, laki ng butas, at kapal ay ilang mga tagapagpahiwatig para sa pagsusuri ng pinagsama -samang proseso ng lamad.

Larawan: PPS composite material

1) Ang balanse sa pagitan ng laki ng butas at porosity ay nakakaapekto sa paglaban at airtightness.

Ang pag -andar ng pore ay upang magbigay ng isang channel para sa paghahatid ng mga anion at cations sa electrolyte, bawasan ang panloob na paglaban ng proseso ng electrolysis, ngunit ibukod din ang hydrogen at oxygen. Kung ang laki ng butas ng butas ay napakalaki, ang airtightness ng dayapragm ay maaapektuhan, at kung napakaliit nito, ang paghahatid ng mga ions ay maiiwasan. Ang parehong ay totoo para sa porosity. Samakatuwid, ang epektibong disenyo at kontrol ng mga pores ay napakahalaga. Ang laki ng butas at porosity ng dayapragm ay dapat maabot ang isang pinakamainam na halaga upang matiyak ang mataas na airtightness at mababang panloob na pagtutol ng dayapragm nang sabay. Samakatuwid, ang pag -optimize ng istraktura ng butas ay din ang pokus ng pananaliksik sa diaphragm.

Figure: SEM pores ng iba't ibang mga composite na materyales

2) Ang kapal ng dayapragm mismo ay dapat ding matugunan ang balanse sa pagitan ng mababang panloob na pagtutol at malakas na suporta.

Para sa mga composite diaphragms, ang kapal ay isang mahalagang parameter din. Ang kapal ay nakakaapekto sa pisikal na lakas ng dayapragm at ang panloob na paglaban ng electrolytic cell. Ang mas makapal ang kapal, mas malakas ang suporta, ngunit mas malaki ang panloob na pagtutol ng electrolytic cell. Ang kapal ng dayapragm na kasalukuyang nasa merkado ay karaniwang nasa paligid ng 500μm ~ 600μm.

2 Proton Exchange Membrane Electrolyzer (PEM)

- Mekanismo ng Paggawa: Ang mga proton ng hydrogen ay dumadaan saProton Exchange Membrane

AngProton Exchange Membrane Electrolyzerang sarili ay nagbago mula sa solidong polymer electrolyte electrolyzer (SPE). Dahil sa pagtuklas at pagbagsak ng perfluorosulfonic acid lamad na natuklasan ni DuPont, pinangalanan ito pagkatapos ng materyal na lamad at tinawag na proton exchange membrane electrolyzer. Hanggang ngayon, ang karamihan sa kanila ay ginagamit pa rin at napabuti sa teknolohiyang membrane ng DuPont's perfluorosulfonic acid.

Hindi tulad ng prinsipyo ng mga alkalina na electrolyzers, ang mga electrolyzer ng PEM ay hindi gumagamit ng mga hydroxide ions upang maipasa ang dayapragm, ngunit ang mga proton ng hydrogen (H+) upang maipasa ang lamad ng proton exchange. Iyon ay, ang isang reaksyon ng hydrolysis ay nangyayari sa positibong elektrod upang makabuo ng mga proton ng hydrogen (H+), electrons (E-), at oxygen. Ang mga proton ay dumadaan sa lamad ng PEM at pagsamahin sa mga electron upang maging mga hydrogen atoms, at ang mga atom ng hydrogen ay pinagsama sa bawat isa upang mabuo ang mga molekula ng hydrogen.

Figure: Prinsipyo ng PEM Electrolyzer (Larawan mula sa Panitikan) - Mga Katangian ng Materyales: Proton conductivity at airtightness ay mga pangunahing katangian

1) Ang proton conductivity ng PEM ay nauugnay sa nilalaman ng tubig, na nakakaapekto sa paglaban at density ng kuryente.

Ang proton exchange membrane ay binubuo ng perfluorosulfonic acid (PSA) ion polymer, na mahalagang isang copolymer ng tetrafluoroethylene (TFE) at iba't ibang perfluorosulfonic acid monomers. Ang mga proton ay isinasagawa ng mga polymers ng ion, lalo na ang mga grupo ng sulfonic acid. Ang mga grupo ng Sulfonic acid ay mga pangkat ng hydrophilic at maaaring makabuo ng mga lugar na hydrophilic na malapit sa kanila. Ang mga proton ay mas malamang na ilipat nang malaya sa mga lugar na may sapat na nilalaman ng tubig, na ginagawang mas madali upang makamit ang mababang pagtutol at mataas na electric density para sa buong electrolyzer, at ang pagkonsumo ng kuryente sa bawat yunit ng produksiyon ng hydrogen ay mas mababa din.

2) Ang PEM ay maaaring tumugon nang mabilis sa mga pagbabago sa kapangyarihan, kaya mayroon itong mataas na mga kinakailangan para sa airtightness.

Ang kahusayan ng pagpapadaloy ng proton ng proton exchange membrane ay mas mahusay kaysa sa alkalina na electrolyzer ion conduction na kahusayan, at maaaring tumugon nang mabilis sa mga pagbabago sa lakas ng pag -input. Kapag ang lakas ay mababa, ang paggawa ng gas ng oxygen at hydrogen ay bababa din. Kung ang higpit ng hangin ay hindi maganda, ang konsentrasyon ng mga impurities sa oxygen at hydrogen ay tataas, na magdulot ng panganib.

- - Ang mga pisika at ang pagpapabuti nito: Ang pagsasaayos ng kapal ng lamad ng PEM at ang pagsasama ng katalista at layer ng pagsasabog ng gas ay tataas ang kalamangan sa pagganap nito.

1) Ang kapal ay kailangang makahanap ng isang balanse sa pagitan ng kondaktibiti at katatagan.

Sa kasalukuyan, ang kapal ng proton exchange membrane ay karaniwang nasa pagitan ng 100 ~ 175μm. Ang kapal ng proton exchange membrane ay direktang nakakaapekto sa proton conductivity. Ang payat ang kapal, mas maliit ang paglaban ng proton sa buong lamad. Ngunit sa parehong oras, ang masyadong manipis na lamad ay may mahinang lakas ng anti-swelling, mekanikal na katatagan at higpit ng hangin. Sa kasalukuyan, ang kapal ng lamad ng PEM ay isa ring pangunahing direksyon ng pananaliksik.

2) Ang porous na istraktura ng layer ng katalista at ang pagsuporta sa istraktura ng layer ng pagsasabog ng gas ay maaaring makaapekto sa pag -andar ng lamad. Ang catalytic layer na nabuo ng katalista ay ang tunay na lugar kung saan nangyayari ang reaksyon sa lamad ng elektrod ng PEM electrolyzer. Ang ibabaw ng mga particle ng katalista ay kailangang malapit na maiugnay sa proton exchange membrane upang ilipat ang mga proton. Ang malambot na porous na istraktura ng catalytic layer ay maaaring dagdagan ang kahusayan ng pagpapadaloy ng proton. Bagaman ang layer ng pagsasabog ng gas ay hindi direktang nakikilahok sa reaksyon, nagbibigay ito ng mga channel para sa tubig, gas, init, atbp, at gumaganap ng isang proteksiyon na papel. Dapat itong magkaroon ng isang tiyak na kakayahang umangkop upang maprotektahan ang catalytic layer at ang proton membrane mula sa nasira, at sa parehong oras dapat itong magkaroon ng isang tiyak na katigasan upang suportahan ang mas payat na proton membrane, atbp.

Figure: Schematic Diagram ng Membrane Electrode Architecture ng PEM Electrolyzer (Larawan mula sa Panitikan)

Konklusyon

Kung mula sa pananaw ng medyo mature na teknolohiya ng alkalina na electrolyzer o ang teknolohiya ng proton exchange membrane electrolyzer na patuloy na gumagawa ng mga breakthrough, ang mga materyales sa lamad ay naglalaro ng isang napakahalagang papel, at ang pinakamahalagang pag -andar ay ang paglipat ng mga ions/proton at ibukod ang mga gas.

Para sa pagpapabuti ng pagganap ng lamad, ang pananaliksik ay karaniwang isinasagawa sa paligid ng pagpapabuti ng pag -uugali ng ion/proton upang mabawasan ang paglaban, habang tinitiyak ang higpit at katatagan ng hangin. Partikular, sa isang banda, ang pananaliksik ay isasagawa sa paligid ng mga katangian ng materyal mismo, kabilang ang hydrophilicity (pagsipsip ng tubig), kondaktibiti, higpit ng hangin, katatagan ng kemikal, atbp; Sa kabilang banda, magpapatuloy kaming makahanap ng isang balanse sa mga tuntunin ng kapal ng lamad, porosity, suporta sa mekanikal, atbp sa pamamagitan ng pag -aayos ng aming sariling pagganap o pakikipagtulungan sa iba pang mga materyales.