1. Rolle der Membranen
MembranenInelektrolytische WasserstoffproduktionGeräte erfüllen drei Funktionen: Sie übertragen Ionen (z. B. Hydroxid- oder Wasserstoffionen) im Elektrolyten, verhindern den Übergang oder das Eindringen von Wasserstoff und Sauerstoff zwischen den Elektroden und sorgen für eine Isolierung, um den Elektronentransfer zwischen Elektroden zu verhindern (und somit die Leitfähigkeit zu verhindern).
Derzeit liegt der Schwerpunkt stark auf der Ionenübertragung und den Gasbarriereeigenschaften, die Isolierung wird jedoch häufig übersehen. Leitfähigkeit in Membranen führt zu hoher Stromdichte und geringem Widerstand, was zu Explosionen führt; Daher stellen leitfähige Membranen eine größere Gefahr dar als Gas-Crossover.
2. Entwicklung von Membranen
Die historische Auswahl an Membranmaterialien umfasst Asbestmembranen und Polyphenylensulfidmembranen.
3. Zusammenhang zwischen Elektrolysezellunfällen und Membranen
Leitfähigkeit von Membranen als Hauptunfallursache
Die Qualität der Membranen auf dem heimischen Markt ist sehr unterschiedlich. Hinsichtlich der Leitfähigkeit weisen Membranen unterschiedliche Widerstände auf, wobei isolierende Membranen den Maßstab für die Qualifizierung darstellen. Einige Hersteller verringern den Membranwiderstand, um die Leitfähigkeit zu verbessern, was direkt zu Explosionen der Elektrolysezelle führt. Der Elektronentransfer in Membranen kann sich auf verschiedene Weise manifestieren:
Ein geringer Membranwiderstand führt zu attraktiven Betriebsparametern und einem minimalen Energieverbrauch (unter 4,0, sogar etwa 3,7).
Trotz ansprechender Daten liegt die Wasserstoffproduktion deutlich unter den theoretischen Werten, da der Großteil der Energie in Wärme umgewandelt wird, was die Membran zu einer wärmeerzeugenden Komponente macht. Die Wärmeerzeugung durch Membranen entsteht aus zwei Punkten:
Bei der Herstellung von Polyphenylensulfidmembranen werden andere Arten von Fasern eingeführt, die niedrige Dielektrizitätskonstanten und bestimmte Elektronenübertragungsfähigkeiten aufweisen.
Durch die Modifikation von Membranen können Substanzen eingeführt werden, die den Elektronentransfer erleichtern, wie etwa Schwefelatome in Polyphenylensulfid, oder Verunreinigungen wie Metallionen oder Tenside.
DünnMembranenmit großen Poren
Dünne Membranen mit großen Poren sind anfällig für Ablagerungen und das Eindringen abgelöster Elektrodenmaterialien, was zu Leitfähigkeit führt. Einige Hersteller produzierenMembranenmit übermäßig großen Lücken in Fasern oder Garnen, was zu einer breiteren Porenverteilung (5–20 Mikrometer) und einer unzureichenden Dicke führt. Metallpartikel (wie Nickel) im Elektrolyten sammeln sich an der Membran an und durchdringen diese, wodurch sie schließlich leitfähig wird. Um Leitfähigkeit durch abgelöste Elektroden zu verhindern, müssen Membranen Folgendes aufweisen:
Ausreichende Dicke, um das Eindringen von Metallpartikeln zu verhindern.
Kleine Porengrößen, idealerweise unter 8–10 Mikrometer, vorzugsweise mit einer mehrschichtigen Struktur.
Schlechte Beständigkeit gegenüber Temperatur, Korrosion und mechanischen Beschädigungen
Der Markt bietet eine Vielzahl von Membranen an, aber um die Herstellungsleistung zu verbessern, werden Polyphenylensulfidfasern oft mit anderen Strukturfasern gemischt (was zu übermäßigem Alkaliverlust und niedriger Temperaturbeständigkeit führt). Eine Verringerung des Membranwiderstands und der Faserverdrehung kann auch die mechanische Haltbarkeit beeinträchtigen. Unsachgemäße Methoden zur Verbesserung der Hydrophilie können zu Problemen führen. Zu den beobachtbaren Membraneigenschaften gehören:
Hohe Schrumpfraten.
Erhöhter Alkaliverlust.
Verminderte Gasdichtheit nach Einwirkung äußerer Kräfte.
Die Betriebsumgebung in Elektrolysezellen kann zerstörerischer sein als die äußeren Bedingungen. Daher sind Membranen erforderlich, die gegen Zug, Biegung und Druck beständig sind und gleichzeitig unter bestimmten Belastungsniveaus ihre Leistung aufrechterhalten.
