전해기의 막 재료는 얼마나 중요한가

현재 알려진전해질 다른 원칙과 이름의 이름이 있습니다전해저 유형은 막 재료와 밀접한 관련이 있습니다.

그만큼막 재료는 전해기의 반응 메커니즘, 작동 효율, 안정성 및 안전성을 결정하는 핵심 재료이며 전해지 장비에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나이기도합니다. 막 재료는 이온/양성자 채널 및 분리 가스를 제공하는 데 중요한 역할을합니다. 이 기사는 알칼리 (ALK) 전해질을 가져옵니다양성자 교환 막(PEM)전해질작업 메커니즘, 주요 성능 및 막 재료의 개선 방향을 분석하고 산업 참조를위한 막 재료의 중요성을 분석하는 예입니다.

1 알칼리 전해저 (ALK)

- 작업 메커니즘 : 히드 록실 이온 (OH-)은 다공성 막을 통과합니다.

알칼리 전해질에서 수소 생산의 원리는 음극에서 물 분자가 수소 이온 및 수산화물 이온으로 분해된다는 것이다. 하이드 록실 이온 (OH-)은 다공성 막을 통과하여 음극과 양극 사이의 전기장의 작용 하에서 양극에 도달하고, 물 분자와 산소 분자를 생성하기 위해 전자를 잃고; 수소 이온은 음극에 남아 전자를 얻고, 수소 원자를 생성하며, 수소 분자 및 수소 가스를 추가로 생성하고;

그림 : 알칼리 전해저 원리의 개략도

초기에는 석면이 다이어프램 물질로 사용되었지만 알칼리 전해질에서 석면의 붓기와 인체에 석면의 피해로 인해 점차 제거되었습니다. 현재, 업계에서 널리 사용되는 다이어프램은 폴리 페닐 렌 설파이드 (PPS) 직물을 기반으로 한 새로운 복합 다이어프램입니다.

의 다이어프램알칼리 전해저알칼리 전해저에서 이온 전도 및 가스 분리에 역할을합니다. 두께, 친수성, 다공성 및 기공 크기는 전기 분해 성능 (저항, 전기 밀도, 수소 생산의 단위 전력 소비 등)과 밀접한 관련이 있으며 또한 수소의 순도에 중요한 영향을 미칩니다.

—— 마수성 특성 : 이온 전도도와 기름 압박감은 저항, 순도 및 안전에 영향을 미치는 주요 특성입니다.

1) 이온 전도도는 친수성과 관련이 있으며, 이는 전기 밀도 및 저항에 영향을 미칩니다.

다이어프램의 기능 중 하나는 이온의 자유로운 움직임을 허용하는 것입니다. 반응이 발생하는 전해저의 회로에서, 수산화물 이온은 용액에 존재한다. 따라서, 다이어프램 및 용액의 친수성/소수성은 이온 전도도, 즉 저항에 직접적인 영향을 미칩니다.

이론적으로, 친수성이 좋을수록 전도도가 높을수록 내부 저항이 낮아지고 단위 수소 출력 당 전력 소비가 낮아집니다. 동시에, 더 나은 친수성은 또한 수소와 산소를 분리하면서 이온이 통과하도록 보장 할 수 있습니다. 현재, 대부분의 연구는 또한 다이어프램의 친수성을 향상시키는 방법에 중점을두고 있습니다.

2) 다이어프램은 수소와 산소를 분리하고, 공기 단성은 순도에 영향을 미칩니다.

다이어프램의 또 다른 주요 기능은 전기 촉매 공정에서 생성 된 수소와 산소를 분리하는 것입니다. 다이어프램은 캐소드 챔버를 양극 챔버로부터 분리하고, 각각의 유량 채널을 통해 전해저에서 흘러 수소와 산소의 분리를 달성합니다. 작동 중 캐소드와 양극 사이의 압력 차이 변동으로 인해, 다이어프램의 공기 압박감과 안정성은 출구의 순도에 영향을 미치며 전해기의 안전한 작동을 보장하는 핵심이기도합니다.

—— 물리적 개선 : 복합 멤브레인은 다공성과 두께를 조정하여 다이어프램의 관련 성능을 향상시킬 수 있습니다.

막 재료 성능의 개선을 위해, 한편으로, 다양한 기관의 연구는 재료 자체의 성능을 계속 향상시킨다. 한편, 기능적 코팅은 PPS 직물의 표면에 적용되어 관련 성능을 향상시켜 "샌드위치"복합 다이어프램을 형성한다.

복합 다이어프램은 주로 표면에 중합체 및 지르코늄의 혼합물로 코팅된다. 조성 및 비율 및 코팅 공정의 선택은 다이어프램의 성능에 영향을 미치는 열쇠입니다.

그 중에서도 다공성, 기공 크기 및 두께는 복합 막 공정의 평가를위한 일부 지표입니다.

그림 : PPS 복합재

1) 기공 크기와 다공성 사이의 균형은 저항과 밀폐에 영향을 미칩니다.

기공의 기능은 전해질에서 음이온 및 양이온의 전송을위한 채널을 제공하고, 전기 분해 공정의 내부 저항을 감소시키고, 수소와 산소를 분리하는 것입니다. 기공 크기가 너무 커지면 다이어프램의 밀폐가 영향을 받고 너무 작 으면 이온의 전송이 방해됩니다. 다공성도 마찬가지입니다. 따라서 모공의 효과적인 설계 및 제어가 매우 중요합니다. 다이어프램의 기공 크기와 다공성은 동시에 다이어프램의 높은 기밀성과 낮은 내부 저항을 보장하기 위해 최적의 값에 도달해야합니다. 따라서 기공 구조의 최적화는 또한 다이어프램 연구의 초점입니다.

그림 : 다른 복합 재료의 SEM 모공

2) 다이어프램 자체의 두께는 낮은 내부 저항과 강한지지 사이의 균형을 충족해야합니다.

복합 다이어프램의 경우 두께도 중요한 매개 변수입니다. 두께는 다이어프램의 체력과 전해 세포의 내부 저항에 영향을 미칩니다. 두께가 두껍을수록 지지대가 강하지 만 전해 세포의 내부 저항이 커집니다. 현재 시장에 나와있는 다이어프램의 두께는 일반적으로 약 500μm ~ 600μm입니다.

2 양성자 교환 막 전해기 (PEM)

- 작업 메커니즘 : 수소 양성자가 통과합니다양성자 교환 막

그만큼양성자 교환 막 전해저자체는 고체 중합체 전해질 전해저 (SPE)로부터 진화했다. 듀폰에 의해 발견 된 퍼플 루오 술 폰 산 막 막의 발견과 획기로 인해 막 물질의 이름을 따서 명명되었으며 양성자 교환 막 전해저라고 불렀다. 오늘날까지 대부분의 사람들은 DuPont의 Perfluorosulfonic Acid Membrane 기술에서 여전히 사용되고 개선되었습니다.

알칼리 전해저의 원리와 달리, PEM 전해저는 수산화물 이온을 사용하여 다이어프램을 통과하지는 않지만 수소 양성자 (H+)는 양성자 교환 막을 통과합니다. 즉, 가수 분해 반응은 양성 전극에서 수소 양성자 (H+), 전자 (E-) 및 산소를 생성하기 위해 발생합니다. 양성자는 PEM 막을 통과하고 전자와 결합하여 수소 원자가되고, 수소 원자는 서로 결합하여 수소 분자를 형성합니다.

그림 : PEM 전해저의 원리 (문헌의 그림) - 재료 특성 : 양성자 전도도 및 밀폐 함은 핵심 특성입니다.

1) PEM의 양성자 전도도는 수분 함량과 관련이 있으며, 이는 저항 및 전기 밀도에 영향을 미칩니다.

양성자 교환 막은 테트라 플루오로 에틸렌 (TFE) 및 상이한 퍼플 루오 리 폰산 단량체의 공중 합체 인 퍼플 루오 술 폰산 (PSA) 이온 중합체로 구성된다. 양성자는 이온 중합체, 즉 설 폰산 기에 의해 수행된다. 설 폰산 그룹은 친수성 그룹이며 근처에 친수성 부위를 형성 할 수 있습니다. 양성자는 충분한 수분 함량이있는 영역에서 자유롭게 움직일 가능성이 높아 전체 전해저에 대해 저항력이 낮고 전기 밀도가 높을 수 있으며 수소 생산 단위당 전력 소비도 낮습니다.

2) PEM은 전력 변화에 빠르게 반응 할 수 있으므로 밀폐에 대한 요구 사항이 높습니다.

양성자 교환 막의 양성자 전도 효율은 알칼리 전해저 이온 전도 효율보다 우수하며 입력 전력의 변화에 ​​빠르게 반응 할 수 있습니다. 전력이 낮 으면 산소와 수소의 가스 생산도 감소합니다. 기공이 좋지 않으면 산소와 수소의 불순물의 농도가 증가하여 위험을 초래할 수 있습니다.

—— 물리 및 그 개선 : PEM 막의 두께 조정과 촉매 및 가스 확산층의 조합은 성능의 이점을 증가시킬 것입니다.

1) 두께는 전도도와 안정성 사이의 균형을 찾아야합니다.

현재, 양성자 교환 막의 두께는 일반적으로 100 ~ 175μm 사이입니다. 양성자 교환 막의 두께는 양성자 전도성에 직접 영향을 미칩니다. 두께가 얇을수록 막을 가로 지르는 양성자의 저항이 작다. 그러나 동시에, 너무 얇은 막은 방지력이 열악하고 기계적 안정성 및 기름 압박감이 있습니다. 현재, PEM 막의 두께는 또한 주요 연구 방향입니다.

2) 촉매층의 다공성 구조 및 가스 확산 층의지지 구조는 막의 기능에 영향을 줄 수있다. 촉매에 의해 형성된 촉매 층은 PEM 전해저의 막 전극에서 반응이 발생하는 실제 위치이다. 촉매 입자의 표면은 양성자 교환 막에 밀접하게 연결되어 양성자를 전달해야한다. 촉매 층의 푹신한 다공성 구조는 양성자 전도 효율을 증가시킬 수있다. 가스 확산 층이 반응에 직접 참여하지는 않지만 물, 가스, 열 등의 채널을 제공하고 보호 역할을합니다. 촉매 층과 양성자 막이 손상되지 않도록하는 특정 유연성이 있어야하며, 동시에 얇은 양성자 막 등을지지하기 위해 특정 강성이 있어야합니다.

그림 : PEM 전해저의 막 전극 구조의 개략도 (문헌의 그림)

결론

끊임없이 돌파구를 만드는 비교적 성숙한 알칼리 전해저 기술 또는 양성자 교환 막 전해제 기술의 관점에서, 막 재료는 매우 중요한 역할을하며 가장 중요한 기능은 이온/양성자 및 분리 가스를 전달하는 것입니다.

막 성능의 개선을 위해, 저항을 줄이기 위해 이온/양성자 전도도 개선에 대한 연구는 일반적으로 내성과 안정성을 보장합니다. 구체적으로, 한편으로, 친수성 (수분 흡수), 전도도, 기름 압박감, 화학적 안정성 등을 포함한 물질 자체의 특성에 대한 연구가 수행 될 것이다. 반면에, 우리는 자체 성능을 조정하거나 다른 재료와 협력하여 막 두께, 다공성, 기계적지지 등의 균형을 계속 찾을 것입니다.