Для чего нужна SPE/PEM мембрана в генераторах водородной воды?

Время прочтения: 30 минут
Тема: о генераторах водородной воды
Дата: 22.01.2018

Содержание:

  1. Преимущества протонообменной SPE/PEM мембраны при производстве водородной воды
  2. Что такое твердый полимерный электролит?
  3. Почему протонообменная мембрана может проводить протоны?
  4. Как идет электролиз воды в твердом полимерном электролите?
  5. Схема протонообменной мембраны
  6. Преимущества электролиза PEM

 

Преимущества протонообменной SPE/PEM мембраны


Благодаря наличию PEM/SPE мембраны водород отделяется от побочных продуктов электролиза - кислорода и других примесей (например, озона и хлора). То есть пользователю не нужно тщательно следить за составом воды. Если в приборе нет протонообменной мембраны, то при использовании воды с наличием солей хлора процесс электролиза будет сопровождаться выделением резкого запаха хлора.
Протонобменная мембрана является твердым полимерным электролитом, в котором происходит электролиз, т.е. электролиз проходит именно в мембране, электролитом вода не является, она не подвергается электролизу, только насыщается водородом. Это позволяет использовать дистиллированную воду, воду после очистки методом обратного осмоса (RO вода). В приборах без PEM/SPE мембраны при использовании дистиллированной или RO воды водород выделяться не будет.

Что такое твердый полимерный электролит?


Протонообменная мембрана (proton-exchange membrane), PEM, - это полупроницаемая мембрана, изготовленная из особых высокотехнологичных материалов, которые могут проводить через себя протоны - ядра атомов водорода.

Твердыми полимерными электролитами (ТПЭ) называют вещества, имеющие полимерное строение, причем в состав полимеров входят функциональные группы, способные к диссоциации с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость.

Мембрана в наших приборах представляет собой фторуглеродный полимер, содержащий функциональные сульфогруппы, способные к обмену с внешней средой электростатически связанными катионами (положительно заряженные частицы, как и протоны, ядра атома водорода). Ионная проводимость этого твердого полимерного электролита ТПЭ обусловлена движением катионов уже входящих в его состав, поэтому подобные электролиты получили название катионных или катионобменных, по аналогиии с ионообменными смолами.

Появление фторуглеродных катионообменных мембран произвело настоящую революцию в таких областях, как электролиз воды для получения водорода и кислорода.

протонообменная мембрана

 

Почему протонообменная мембрана может проводить протоны?


Протонообменные мембраны делаются из твердых полимерных электролитов. Твердыми полимерными электролитами (ТПЭ), по-английски Solid Polymer Electrolyte (SPE), называют вещества, имеющие полимерное строение, причем в состав полимеров входят функциональные группы, способные к диссоциации с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость.
Мембрана в наших приборах представляет собой фторуглеродный полимер, содержащий функциональные сульфогруппы, способные к обмену с внешней средой электростатически связанными катионами (положительно заряженные частицы, как и протоны, ядра атома водорода).
Ионная проводимость протонообменной мембраны - твердого полимерного электролита (ТПЭ), обусловлена движением катионов, уже входящих в ее состав, а при прямом электролизе раствора солей проводимость обусловлена ионами этих солей в растворе воды.

 

Как идет электролиз воды в твердом полимерном электролите?


Дистиллированная вода подается в анодное пространство электролизера и проникает через поры анода к границе раздела электрод - мембрана (PEM-SPE). На этой границе происходит электроокисление воды с выделением кислорода:

2H2O ——► O2 + 4H+ + 4e-
Кислород удаляется из реакционной зоны. Протоны движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с выделением газообразного водорода:

2H+ + 2e- —► H2

Проще говоря, В генераторе водородной вода протоны проводятся от анода (электрода с положительным зарядом), к катоду (электроду с отрицательным зарядом).

Протон, прошедший через протонообменную мембрану к катоду, получает от катода электрон и становится атомом водорода. Моментально 2 атома водорода соединяются между собой в молекулу водорода, которая потом растворяется в воде.

Непроницаемость PEM мембраны для кислорода препятствует проникновению его в катодное пространство и образованию взрывоопасной гремучей смеси кислорода и водорода.

Протекание катодной и анодной реакций стимулируется введением на границы раздела электроды/ТПЭ катализаторов - мелкодисперсных платины и оксида иридия (IV), что делает процесс электролиза более эффективным.

Одновременно протонообменная мембрана является изолятором для электронов и барьером для реагентов, например, для кислорода, водорода, озона, хлора

Основная функция протонообменной мембраны в электродно-мембранной ячейке - (по-английски, membrane electrode assembly (МЭА)): разделение реагентов и перенос протонов через мембрану при блокировании прямого пути электронов через мембрану.

Использование PEM для электролиза впервые было представлено в 1960-х годах компанией General Electric, которая разработала эту технологию для преодоления недостатков технологии щелочного электролиза.

 

 Схема протонообменной мембраны

SPE/PEM мембрана

 

Преимущества электролиза PEM


Одним из самых больших преимуществ электролиза PEM является его способность работать при высоких плотностях тока. Полимерный электролит позволяет электролизеру PEM работать с очень тонкой мембраной (~ 100-200 мкм) при высоком давлении, что приводит к низким омическим потерям, главным образом обусловленным проведением протонов через мембрану (0,1 S / cm) и дает высокий выход водорода.
Полимерная электролитная мембрана, благодаря своей твердой структуре, обладает низкой скоростью пропускания газа через себя, что приводит к очень высокой чистоте продукта.

 

Зарегистрируйтесь, пожалуйста, чтобы оставить свой комментарий.