CZ27325U1 - Anionselektivní membrána z blokového kopolymeru armovaná skleněnými vlákny s polymerním povlakem - Google Patents

Description

Anionselektivní membrána z blokového kopolymerů armovaná skleněnými vlákny s polymerním povlakem

Oblast techniky

Technické řešení se týká membrány pro alkalickou membránovou elektrolýzu pro produkci vodíku. Elektrolýzu je možné provádět za vyšších tlaků z důvodu přímé komprese generovaného vodíku.

Dosavadní stav techniky

Elektrolýza vody představuje proces, při kterém dochází k přímé přeměně vody na vodík za pomoci elektrické energie. I když elektrolýza vody není příliš rozšířený proces, disponuje řadou výhod: celý proces probíhá v jediném kroku, vyrobený vodík má velmi vysokou čistotu, proces produkuje nulové emise, zařízení může být velkoobjemové i vysoce kompaktní a nedělá mu problém nárazový provoz, kdy výchozí surovinou je zde již zmíněná voda, které jsou na Zemi ohromné zásoby, která se při procesu nespotřebovává, nýbrž dochází k její dočasné přeměně na vodík. Nevýhodou elektrolýzy vody je cena vyrobeného vodíku, která je ve srovnání s procesy založených na zpracování fosilních paliv, vyšší. I z tohoto důvodu jsou v oblasti elektrolýzy vody vyvíjeny stále větší snahy za účelem snížení energetické náročnosti tohoto procesu.

V současnosti rozdělujeme elektrolýzu vody na alkalickou, kyselou (tzv. PEM) a vysokoteplotní, která je zatím spíše ve fázi výzkumu a testování. Naproti tomu elektrolýza alkalická je nejstarší a jedinou významně průmyslově rozšířenou technologií elektrolýzy vody. To je dáno její jednoduchou, dobře zvládnutou a především levnou konstrukcí, což vychází z použití velmi dostupných materiálů, které jsou v daném (alkalickém) prostředí stabilní. Elektrody jsou zhotoveny z niklu nebo z poniklované oceli (katoda může být ocelová) a diafragma je převážně azbestová. Alkalické elektrolyzéry pracují s horkým (80 °C) hydroxidem (25 až 30 % hm.). Oproti elektrolýze kyselé však trpí alkalická elektrolýza několika nedostatky. Těmi hlavními jsou vyšší provozní náklady (vyšší pracovní napětí při stejných proudových hustotách) a větší rozměry, což je mimo jiné dáno také použitou azbestovou diafragmou, která nemá v tomto ohledu zcela optimální parametry, je poměrně tlustá, iontově nevodivá, nedovoluje využití zero-gap uspořádání elektrod a v neposlední řadě je karcinogenní.

Kyselá elektrolýza vody naproti tomu disponuje kompaktnějšími rozměry a především příznivějšími provozními vlastnostmi (nižší provozní napětí). Problémem kyselé elektrolýzy je nutnost použít drahé platinové katalyzátory, neboť ty jediné jsou v daném prostředí stabilní a zároveň dostatečně katalyticky aktivní. Tato skutečnost vylučuje využití kyselé elektrolýzy vody ve velkoobjemových průmyslových výrobách a směřuje jí tak spíše do mobilních aplikací. Jako elektrolyt je u PEM elektrolýzy použita perfluorovaná katexová membrána (převážně typu Nafion®) se sulfonovými funkčními skupinami. Velkou předností této membrány je její vysoká teplotní stabilita při velmi malé tloušťce. Aby však byla membrána aktivní, je nutná její hydratace a její následné nabobtnání, což je zaručeno cirkulací demineralizované vody uvnitř cely. Pracovní teplota PEM elektrolyzérů je 80 až 90 °C.

Nemožnost zero-gap uspořádání elektrod a vyšší pracovní napětí při stejných proudových hustotách byly zapříčiněny absencí dostatečně stabilního a iontově vodivého ionomeru, ze kterého by bylo možné vyrobit anexovou membránu. V posledních letech však byl vyvinut ionomer, jenž umožňuje přípravu membrány s požadovanými vlastnostmi. Tento ionomer však postrádá vynikající mechanickou odolnost, jako je tomu v případě některých kationselektivních membrán, zvláště pak sulfonovaných perfluorovaných. V posledních letech je snaha o vedení celého procesu za zvýšeného tlaku z důvodu přímé komprese generovaných plynů, kdy dochází k úsporám energie, jenž by bylo nutné vynaložit na dodatečnou kompresi značného množství plynů.

-1 CZ 27325 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené problémy s mechanickou stabilitou anionselektivní membrány se podařilo vyřešit jejich armováním teflonovými a skleněnými vlákny. V tomto případě jsou skleněná vlákna odpovědná za zvýšenou mechanickou odolnost vzniklé kompozitní membrány, bohužel tato skla v alkalickém prostředí silně korodují. Podstatou funkce anionselektivní membrány je transport aniontů v silně alkalickém prostředí, kdy kladný náboj je fixován na základním řetězci. Z tohoto důvodu nemůže být v kontaktu vlastní anionselektivní ionomer s armujícími skleněnými vlákny. Následně by totiž došlo k postupnému vymývání iontů z vlastního materiálu skla, což by mělo za následek postupné křehnutí skla, kdy po jisté době by došlo ke zhroucení jeho struktury a skleněná vlákna, by tak přestala plnit svojí funkci armatury. Skleněná vlákna, tak musí být chráněna před alkalickým prostředím látkou, která umožňuje dobrou adhezí jak skla, tak vlastního anionselektivního polymeru.

Vlastní membrána je tak tvořená skleněnými vlákny CAS 65997-17-3, jenž jsou opatřeny povrchovou vrstvou tvořenou polytetrafluorethylenem CAS 9014-83-9 dále uváděný jako PTFE. Armující skelet tvořený skleněnými vlákny opatřenými vrstvou PTFE je umístěn ve středu membrány tvořené anionselektivním ionomerem. Anionselektivní ionomer je tvořen základním nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylen-ran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4, kdy styrenové jednotky jsou opatřeny tetramethylamoniem CAS 51-92-3.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:

15,4 skleněných vláken CAS 65997-17-3,

4.6 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,

Σ 100,0.

Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,6 S.m'¹, jenž při teplotě 50 °C vzroste na 7,4 S.m'¹ a při teplotě 70 °C vzroste na 7,9 S.m¹. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 550 kPa.

Příklad 2

Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:

13,3 skleněných vláken CAS 65997-17-3,

7.7 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,

Σ 100,0.

Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,6 S.m'¹, jenž při teplotě 50 °C vzroste na 7,3 S.m¹ a při teplotě 70 °C vzroste na 7,9 S.m’¹. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 360 kPa.

Příklad 3

Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:

-2CZ 27325 Ul

9,2 skleněných vláken CAS 65997-17-3,

10,8 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,

Σ 100,0.

Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,2 S.m¹, jenž při teplotě 50 °C vzroste na 7,3 S.m¹ a při teplotě 70 °C vzroste na 7,5 S.m'¹. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 240 kPa.

Příklad 4

Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:

8,7 skleněných vláken CAS 65997-17-3,

11,3 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,

Σ 100,0.

Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,1 S.m'¹, jenž při teplotě 40 °C vzroste na 7,1 S.m'¹ a při teplotě 70 °C vzroste na 7,2 S.m’¹. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 120 kPa.

Příklad 5

Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:

19,25 skleněných vláken CAS 65997-17-3,

5,75 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,

Σ 100,0.

Membrána vykazuje při teplotě 40 °C příčnou iontovou vodivost 4,1 S.m'¹, jenž při teplotě 60 °C vzroste na 4,9 S.m'¹ a při teplotě 70 °C vzroste na 5,2 S.m'¹. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 570 kPa.

Příklad 6

Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:

23,1 skleněných vláken CAS 65997-17-3,

6,9 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,

Σ 100,0.

Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 3,2 S.m'¹, jenž při teplotě 40 °C vzroste na 3,7 S.m'¹ a při teplotě 70 °C vzroste na 4,1 S.m'¹. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 610 kPa.

-3CZ 27325 Ul

Průmyslová využitelnost

Membrána s anionselektivním polymerem tvořeným základním řetězcem z polystyren-blokpoly(ethylen-ran-butylen)-block-polystyrenu, jenž je funkcionalizován tetramethylamoniem a armován skleněnými vlákny s povlakem z polytetrafluoroethylenu, je vhodná pro alkalické mem5 bránové elektrolyzéry.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Membrána pro alkalickou membránovou elektrolýzu, vyznačující se tím, že obsahuje v % hm.:

   8,7 až 23,1 skleněných vláken CAS 65997-17-3, ío 4,6 až 11,3 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9,

   70 až 80 ionomeru tvořeného základním řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylen-ran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3, přitom suma skleněných vláken CAS 65997-17-3, polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9 a 15 ionomeru tvořeného základním řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylen-ran-butylen)-blockpolystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 5192-3 dosahuje hodnoty 100 % hm., přičemž výsledné membrány vykazují při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 3,2 až 5,6 S.m'¹, při teplotě 40 °C 3,7 až 7,4 S.m'¹ a při teplotě 70 °C vykazuje příčnou iontovou vodivost 4,1 až 7,9 S.m¹, kdy tyto membrány umožňují práci pri tlako20 vém rozdílu 120 až 610 kPa v závislosti na obsahu skleněných vláken a polytetrafluoroethylenu.