1. Rol van membranen
Membraneninelektrolytische waterstofproductieapparaten hebben drie functies: ze zenden ionen (zoals hydroxide- of waterstofionen) in de elektrolyt, voorkomen de crossover of penetratie van waterstof en zuurstof tussen de elektroden, en zorgen voor isolatie om elektronenoverdracht tussen elektroden te voorkomen (waardoor geleiding wordt voorkomen).
Momenteel wordt veel aandacht besteed aan ionentransmissie en gasbarrière-eigenschappen, maar isolatie wordt vaak over het hoofd gezien. Geleidbaarheid in membranen leidt tot hoge stroomdichtheid en lage weerstand, met explosies tot gevolg; geleidende membranen vormen dus een groter gevaar dan gascrossover.
2. Ontwikkeling van membranen
De historische keuzes op het gebied van membraanmaterialen omvatten asbestmembranen en polyfenyleensulfidemembranen.
3. Relatie tussen elektrolytische celongevallen en membranen
Geleidbaarheid van membranen als belangrijke oorzaak van ongevallen
De kwaliteit van membranen op de binnenlandse markt varieert sterk. Qua geleidbaarheid vertonen membranen verschillende weerstanden, waarbij isolatiemembranen de standaard zijn voor kwalificatie. Sommige fabrikanten verlagen de membraanweerstand om de geleidbaarheid te verbeteren, wat direct elektrolytische celexplosies veroorzaakt. Elektronenoverdracht in membranen kan zich op verschillende manieren manifesteren:
Lage membraanweerstand resulteert in aantrekkelijke operationele parameters en een minimaal energieverbruik (onder de 4,0, zelfs rond de 3,7).
Ondanks aantrekkelijke gegevens ligt de waterstofproductie aanzienlijk onder de theoretische waarden, omdat de meeste energie wordt omgezet in warmte, waardoor het membraan een warmtegenererende component wordt. De warmteontwikkeling door membranen komt voort uit twee punten:
Tijdens de bereiding van polyfenyleensulfidemembranen worden andere soorten vezels geïntroduceerd die lage diëlektrische constanten en bepaalde elektronenoverdrachtsmogelijkheden hebben.
Modificatie van membranen kan stoffen introduceren die de elektronenoverdracht vergemakkelijken, zoals zwavelatomen in polyfenyleensulfide, of onzuiverheden zoals metaalionen of oppervlakteactieve stoffen.
DunMembranenmet grote poriën
Dunne membranen met grote poriën zijn gevoelig voor afzetting en penetratie door losgemaakte elektrodematerialen, wat leidt tot geleidbaarheid. Sommige fabrikanten producerenmembranenmet te grote openingen in vezels of garens, resulterend in een bredere porieverdeling (5-20 micron) en onvoldoende dikte. Metaaldeeltjes (zoals nikkel) in de elektrolyt hopen zich op en dringen het membraan binnen, waardoor het uiteindelijk geleidend wordt. Om geleidbaarheid van losgemaakte elektroden te voorkomen, moeten membranen beschikken over:
Voldoende dikte om infiltratie van metaaldeeltjes te voorkomen.
Kleine poriegroottes, idealiter kleiner dan 8-10 micron, bij voorkeur met een meerlaagse structuur.
Slechte weerstand tegen temperatuur, corrosie en mechanische schade
De markt biedt een verscheidenheid aan membranen, maar om de productieprestaties te verbeteren, worden polyfenyleensulfidevezels vaak gemengd met andere structurele vezels (wat resulteert in overmatig alkaliverlies en lage temperatuurbestendigheid). Het verlagen van de membraanweerstand en vezelverdraaiing kan ook de mechanische duurzaamheid in gevaar brengen. Onjuiste methoden om de hydrofiliteit te verbeteren kunnen tot problemen leiden. Waarneembare membraankenmerken zijn onder meer:
Hoge krimppercentages.
Verhoogd alkaliverlies.
Verminderde gasdichtheid na externe krachten.
De werkomgeving binnen elektrolytische cellen kan destructiever zijn dan externe omstandigheden, waardoor membranen nodig zijn die bestand zijn tegen spanning, buiging en compressie, terwijl ze toch onder bepaalde stressniveaus blijven presteren.
