1. Ruolo delle membrane
MembraneInproduzione di idrogeno elettroliticoi dispositivi svolgono tre funzioni: trasmettono ioni (come ioni idrossido o idrogeno) nell'elettrolita, impediscono il crossover o la penetrazione di idrogeno e ossigeno tra gli elettrodi e forniscono isolamento per prevenire il trasferimento di elettroni tra gli elettrodi (prevenendo così la conduttività).
Attualmente si presta particolare attenzione alla trasmissione ionica e alle proprietà di barriera ai gas, ma l’isolamento viene spesso trascurato. La conduttività nelle membrane porta ad un'elevata densità di corrente e una bassa resistenza, con conseguenti esplosioni; quindi, le membrane conduttive rappresentano un pericolo maggiore rispetto al crossover del gas.
2. Sviluppo delle membrane
Le scelte storiche nei materiali delle membrane includono membrane di amianto e membrane di polifenilene solfuro.
3. Relazione tra incidenti delle celle elettrolitiche e membrane
Conduttività delle membrane come principale causa di incidenti
La qualità delle membrane nel mercato interno varia ampiamente. In termini di conduttività, le membrane presentano resistenze diverse e le membrane isolanti rappresentano lo standard per la qualificazione. Alcuni produttori riducono la resistenza della membrana per migliorare la conduttività, che provoca direttamente l'esplosione delle celle elettrolitiche. Il trasferimento di elettroni nelle membrane può manifestarsi in diversi modi:
La bassa resistenza della membrana si traduce in parametri operativi interessanti e un consumo energetico minimo (inferiore a 4,0, anche intorno a 3,7).
Nonostante i dati allettanti, la produzione di idrogeno è significativamente inferiore ai valori teorici, poiché la maggior parte dell’energia viene convertita in calore, rendendo la membrana un componente generatore di calore. La generazione di calore dalle membrane avviene da due punti:
Durante la preparazione delle membrane di polifenilene solfuro vengono introdotti altri tipi di fibre che hanno costanti dielettriche basse e determinate capacità di trasferimento di elettroni.
La modifica delle membrane può introdurre sostanze che facilitano il trasferimento di elettroni, come gli atomi di zolfo nel polifenilene solfuro o impurità come ioni metallici o tensioattivi.
MagroMembranecon pori grandi
Le membrane sottili con pori di grandi dimensioni sono suscettibili alla deposizione e alla penetrazione dei materiali degli elettrodi staccati, con conseguente conduttività. Alcuni produttori produconomembranecon spazi eccessivamente ampi nelle fibre o nei filati, con conseguente distribuzione più ampia dei pori (5-20 micron) e spessore insufficiente. Le particelle metalliche (come il nichel) nell'elettrolita si accumulano e penetrano nella membrana, rendendola infine conduttiva. Per evitare conduttività da elettrodi staccati, le membrane devono avere:
Spessore adeguato per evitare infiltrazioni di particelle metalliche.
Pori di piccole dimensioni, idealmente inferiori a 8-10 micron, preferibilmente con struttura multistrato.
Scarsa resistenza alla temperatura, alla corrosione e ai danni meccanici
Il mercato offre una varietà di membrane, ma per migliorare le prestazioni di produzione, le fibre di polifenilene solfuro vengono spesso mescolate con altre fibre strutturali (con conseguente eccessiva perdita di alcali e resistenza alle basse temperature). Anche la riduzione della resistenza della membrana e della torsione delle fibre può compromettere la durabilità meccanica. Metodi impropri per migliorare l’idrofilicità possono portare a problemi. Le caratteristiche osservabili della membrana includono:
Tassi di ritiro elevati.
Elevata perdita di alcali.
Diminuzione della tenuta al gas in seguito a forze esterne.
L'ambiente operativo all'interno delle celle elettrolitiche può essere più distruttivo delle condizioni esterne, richiedendo membrane resistenti alla tensione, alla flessione e alla compressione, pur mantenendo le prestazioni sotto determinati livelli di stress.
