Содержание:
- Преимущества протонообменной SPE/PEM мембраны при производстве водородной воды
- Что такое твердый полимерный электролит?
- Почему протонообменная мембрана может проводить протоны?
- Как идет электролиз воды в твердом полимерном электролите?
- Схема протонообменной мембраны
- 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.
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
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.