CN116084204A - 新型高阻气、低阻抗隔膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供新型高阻气、低阻抗隔膜及其制备方法,涉及电解水制氢技术领域,所述方法包括以下步骤:选用亲水性纤维,按照造纸工艺以2.3dtex亲水性纤维为原料,经过打浆、配胶(2.4%)、头箱、网部工步后,控制滚筒转过6~8周,然后裁切下来,再经过压榨、压光、干燥工序后得到具有不同隔膜厚度、孔隙率、孔径、密度数据的亲水性纤维纸隔膜;所述隔膜厚度控制在0.45~0.61mm;所述孔隙率在63~70%;所述孔径控制在0.2~1.2μm;所述密度控制在0.65±0.2g/cm3。本发明采用亲水性纤维制膜,降低隔膜离子阻抗,进而降低系统电耗;采用造纸工艺使亲水纤维成膜,提高隔膜阻气性,进而提高系统安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域,尤其涉及新型高阻气、低阻抗隔膜及其制备方法。
背景技术
随着全球变暖、化石能源的逐渐枯竭,可再生能源成为全球各国争先发展的目标,氢能源作为可再生能源的首选载体得到了大力发展。电解水制氢是耦合可再生能源发电制取绿氢的有效方式,因此近些年来得到长足发展。电解水制氢系统的核心是电解槽,隔膜是组成电解槽的重要组件之一,其各项性能指标直接决定电解槽的性能优劣。因此隔膜的选择是电解槽设计过程中需要考虑的重中之重。
隔膜主要性能指标有以下几项:1、阻气性;2、离子阻抗3、工作温度;4、耐腐蚀性。其中阻气性是防止氢氧气交叉的安全保障指标,离子阻抗直接影响电解槽能耗高低,工作温度决定电解槽的运行温度,也间接影响电解槽能耗高低,耐腐蚀性直接影响电解槽寿命。
早期的制氢行业使用石棉布作为隔膜,石棉布由石棉绒制造而成,阻气性为>3KPa、离子阻抗0.74Ωcm2左右、工作温度≤95℃、耐腐蚀性以碱失量(碱煮损失量)≤4%为标准。由于石棉布隔膜比较厚2.5~3.2mm,离子阻抗很高,尤其是石棉有致癌风险,后来被聚苯硫醚(PPS)隔膜、二氧化锆@聚砜隔膜等替代。虽然避免了使用石棉的风险,但由于聚苯硫醚和聚砜的疏水性,纵然大大降低膈膜厚度(由2.5~3.2mm至0.7~1.2mm),其离子阻抗处于0.25~0.45Ωcm2之间,仍然不理想。尤其是聚苯硫醚织物隔膜阻气性刚刚达到>3KPa的国家标准最低限,给电解系统响应速度带来很大影响;
为此,提出新型高阻气、低阻抗隔膜。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了新型高阻气、低阻抗隔膜,用以解决:目前使用隔膜的离子阻抗高、阻气性低的缺陷。
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
选用亲水性纤维,按照造纸工艺以2.3dtex亲水性纤维为原料,经过打浆、配胶(2.4%)、头箱、网部工步后,控制滚筒转过6~8周,然后裁切下来,再经过压榨、压光、干燥工序后得到具有不同隔膜厚度、孔隙率、孔径、密度数据的亲水性纤维纸隔膜。
优选地,所述亲水性纤维可以选取聚醚砜纤维(PSA)、三聚氰胺纤维MF、聚酰胺纤维PA6中的一种或多种。
优选地,所述隔膜厚度控制在0.45~0.61mm。
优选地,所述孔隙率在63~70%。
优选地,所述孔径控制在0.2~1.2μm。
优选地,所述密度控制在0.65±0.2g/cm3。
新型高阻气、低阻抗隔膜,由上述制备方法制得。
通过采用本发明的方法,可以带来以下有益效果:
1、采用亲水性纤维制膜,降低隔膜离子阻抗,进而降低系统电耗;
2、采用造纸工艺使亲水纤维成膜,提高隔膜阻气性,进而提高系统安全性。
附图说明
图1为本发明电阻测试装置图。
图中:1、螺栓;2、不锈钢端板;3、有机玻璃反应槽;4、隔膜;5、电极;6、电解液。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
选用三聚氰胺纤维MF,按照造纸工艺以2.3dtex三聚氰胺纤维MF为原料,经过打浆、配胶(2.4%)、头箱、网部工步后,控制滚筒转过6周,然后裁切下来,再经过压榨、压光、干燥工序后得到隔膜厚度为0.45mm、孔隙率69.8%、孔径1.16μm、密度0.63g/cm3的三聚氰胺纤维纸隔膜。
实施例2:
新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
选用三聚氰胺纤维MF,按照造纸工艺以2.3dtex三聚氰胺纤维MF为原料,经过打浆、配胶(2.4%)、头箱、网部工步后,控制滚筒转过7周,然后裁切下来,再经过压榨、压光、干燥工序后得到隔膜厚度为0.53mm、孔隙率66.5%、孔径0.98μm、密度0.68g/cm3的三聚氰胺纤维纸隔膜。
实施例3:
新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
选用三聚氰胺纤维MF,按照造纸工艺以2.3dtex三聚氰胺纤维MF为原料,经过打浆、配胶(2.4%)、头箱、网部工步后,控制滚筒转过8周,然后裁切下来,再经过压榨、压光、干燥工序后得到隔膜厚度为0.61mm、孔隙率63.6%、孔径0.86μm、密度0.72g/cm3的三聚氰胺纤维纸隔膜。
测试例1:
对各实施例制备成的亲水性纤维纸隔膜进行孔径的测量,并将三种不同厚度的亲水性纤维纸隔膜用电解液充分浸润,通过下列各式计算高阻气数值:
其中ΔP代表隔膜两侧压力差、γ是电解液的表面张力、θ是电解液与隔膜材料接触角、r是隔膜的平均孔径。由于亲水材料接触角接近于0℃,所以COSθ=1使我们在其他条件固定的情况下,取得最大的阻气性能。
结果如下表1:
表1
本发明通过采用造纸工艺使亲水纤维成膜,提高隔膜阻气性,进而提高系统安全性,其中,隔膜高阻气原理为:
利用造纸工艺成型的隔膜,组成其内部结构的众多纤维短绒随机在任意方向上,形成大量的毛细孔。隔膜被电解液充分浸润后,毛细孔中因毛细现象吸满电解液,电解液阻碍了气体通过毛细孔,形成隔膜的整体高阻气性能。因此,通过采用造纸工艺制成的隔膜,由于其内部结构的众多纤维短绒随机在任意方向上,形成大量的毛细孔,耐压能力ΔP与平均孔径r成反比即r越大耐压能力越低、r越小耐压能力越高;所有亲水材料的接触角都趋近于0,所以COSθ趋近于1这一定值,因此在实施例中就不再针对COSθ值进行讨论。
另外,以60目镍电极网为支撑测得:0.5mm厚三聚氰胺纤维纸隔膜(湿润状态)阻气性为5±1kg/cm2;如此高的阻气性足够支持用其组装的电解系统拥有0~100%产气范围和高速响应速度<10s。
测试例2:
随机购买3种不同的市售聚苯硫醚膜PPS隔膜制品作对比例1、对比例2和对比例3,对各实施例和对比例进行不同碱度浓度下隔膜电阻测试对比,电阳测试装置如图1所示,该装置由两个完全相同的半电解池组合成一个完整的电解池,此电解池可以拆卸可以将隔膜材料夹在两半电解池中间,通过螺栓固定。隔膜两边插入镍网制作的电极。用微电阻测试仪测量放隔膜前后的电阻R0和Ri,根据式(1)计算得到隔膜电阻R。
R0—Ri(1)
式中:R隔膜电阻;
Ri放置隔膜时的电阻;
R0无隔膜时的电阻。
测得结果如下表2:
表2
隔膜厚度会影响到隔膜电阻,因此水电解要求隔膜厚度尽可能小,以获得更低的隔膜电阻。经测量得,滚筒转动6周的三聚氰胺纤维隔膜厚度为0.45mm、滚筒转动7周的三聚氰胺纤维隔膜厚度为0.53mm、滚筒转动7周的三聚氰胺纤维隔膜厚度为0.61mm,三组聚苯硫醚膜PPS隔膜分别为1.2mm、1.0mm、0.7mm。这六种隔膜在相同条件下的电阻对比见表2,其中,实施例1为最优项,隔膜电阻能达到0.120Ω。
另外,用微电阻测量仪配合自制测量装置测得:0.5mm厚三聚氰胺纤维纸隔膜离子阻抗为0.142Ω·cm2(在25℃、30wt%KOH溶液中);较低的离子阻抗使每标立方氢气节电0.42KWh。
本发明提供的是新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,利用造纸工艺成型的隔膜,组成其内部结构的众多纤维短绒随机在任意方向上,形成大量的毛细孔。隔膜被电解液充分浸润后,毛细孔中因毛细现象吸满电解液,电解液阻碍了气体通过毛细孔,形成隔膜的整体高阻气性能。其高阻气数值有下面公式决定:
其中ΔP代表隔膜两侧压力差、γ是电解液的表面张力、θ是电解液与隔膜材料接触角、r是隔膜的平均孔径。由于亲水材料接触角接近于0℃,所以COSθ=1使我们在其他条件固定的情况下,取得最大的阻气性能。
本发明为了克服目前使用隔膜的离子阻抗高、阻气性低的缺陷,提出以下发明构思:1、采用亲水性纤维制膜,降低隔膜离子阻抗,进而降低系统电耗;2、采用造纸工艺使亲水纤维成膜,提高隔膜阻气性,进而提高系统安全性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
选用亲水性纤维,按照造纸工艺以2.3dtex亲水性纤维为原料,经过打浆、配胶(2.4%)、头箱、网部工步后,控制滚筒转过6~8周,然后裁切下来,再经过压榨、压光、干燥工序后得到具有不同隔膜厚度、孔隙率、孔径、密度数据的亲水性纤维纸隔膜。
2.根据权利要求1所述的新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,其特征在于,所述亲水性纤维可以选取聚醚砜纤维(PSA)、三聚氰胺纤维MF、聚酰胺纤维PA6中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,其特征在于,所述隔膜厚度控制在0.45~0.61mm。
4.根据权利要求1所述的新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,其特征在于,所述孔隙率在63~70%。
5.根据权利要求1所述的新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,其特征在于,所述孔径控制在0.2~1.2μm。
6.根据权利要求1所述的新型高阻气、低阻抗隔膜的制备方法,其特征在于,所述密度控制在0.65±0.2g/cm3。
7.新型高阻气、低阻抗隔膜,其特征在于,由权利要求1-6中任一项所述的制备方法制得。
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