PEM Electrolyzeri südamiku komponendid ja protsessi ülevaade

See artikkel annab ülevaate materjalidest ja kujundusestPEM -elektrolüsaatorKujundus, samuti protsessid, mida kasutatakse elektrolüüsri erinevate komponentide valmistamiseks. Allolevas tabelis 1 on loetletud 1MW elektrolüüsri peamised materjalid ja jõudlusparameetrid.

Tabel 1: PEM -elektrolüüside peamised kujunduse spetsifikatsioonid

Põhineb katalüsaatoriga kaetud membraani (CCM) kogu aktiivsel alal ühes rakus umbes 900 cm² (vt joonis 1 allpool). See elektrolüsaator on ruudukujuline disain, mille võrdsed mõõtmed on X ja Y suunas.

See süsteem kirjeldab võrdsete külgedega elektrolüzeri, kuid ristkülikukujulised ja ümmargused elektrolütseeri geomeetriad on muud võimalikud lähenemisviisid. Teised kommertssüsteemid kasutavad materjali kasutamise optimeerimiseks või rakkude kokkusurumise hõlbustamiseks ümmargusi või ristkülikukujulisi disainilahendusi.

CCM -i aktiivne piirkond elektrolüsaatoril piirab tihendi pindala jabipolaarne plaatRakkude ühtlase kokkusurumise tagamiseks. SelleCCM, poorne transpordikiht (PTL) ja gaasi difusioonikiht (GDL) laiendage kogu CCM-i aktiivse piirkonna, millele lisandub 10% puhverpindala, et võimaldada näiteks materjali töötlemist, kasutades näiteks diventeerimisprotsesse.

Joonis 1: Elektrolüsaatorraku põhilised mõõtmed

TulevikPEM ElectrolyserKujunduste eesmärk on saavutada suurem voolutihedus, suurendada kogu voolu raku kaudu ja suurendada vesiniku väljundit antud raku geomeetria ja raku üksikute rakkude arvu korral.

Eeldades, et igal elektrolüsari komponendil on tootmisprotsess, mis toodab toorainest valmis osa, on alt üles toodaine mudel näidatud alloleval joonisel 2.

Joonis 2: PEM Electrolyser tootmisprotsess, mis illustreerib mitmesuguseid elektrolüsarikomponentide tootmisprotsesse

Fraasi seletus:

CCM:katalüsaatoriga kaetud membraan

Midagi:membraanielektroodide komplekt

GDL:gaasi difusioonikiht

PVD:Füüsiline aurude sadestamine

1. transpordikihid

Tavaliselt kasutatav anood PTL on paagutatud titaan, mis on kaetud õhukese plaatina kihiga. Selle komponendi alt-üles tootmisprotsess on näidatud alloleval joonisel 3, kasutades komponendi tootmiseks titaani paagutamist ja füüsilise aurude sadestumise (PVD) katteprotsesse.

Titaanipulber muundatakse paagutamise teel valmis titaani transpordikihiks. Seejärel lõigatakse see paagutatud materjal konkreetsete suurusteni, et monteerimine elektrolüsari virna. Katood GDL on lihtsalt ostetud ja suri sobiva suurusega (tavaliselt saab kasutada süsinikpaberit ja süsinikkappi).

Joonis 3: Titaani paagutamise protsessi tootmisprotsessi vooskeem

2. katalüsaatoriga kaetud membraani ja membraani elektroodide komplekt (CCM ja MEA)

Membraanielektroodide komplekt (MEA) sisaldab CCM -i ning katoodi ja anooditranspordi kihte. PEM -elektrolüüside MEA traditsiooniline tootmisprotsess on katalüsaatori polümeeri segu membraanile hoiustamine, kasutades CCM -i moodustamiseks pihustustehnoloogiat, mis seejärel monteeritakse transpordikihiga, et moodustada MEA.

Varasemate uuringute põhjal on CCM kütuseelemendi kulude suurim komponent, nii et kulude vähendamise võimaluste kohta on palju uuritud. See sisu arvestab viimistletud CCM -i tootmiseks: ultraheli pihustamine ja pilukatted.

-Parm tähistab praegust eksperimentaalset ja traditsioonilist tootmismeetodit prootonivahetusmembraanide katalüsaatorite katmiseks. See on aeglasem protsess, mis ei ole suurte tootmiskiiruste jaoks hõlpsasti skaleeritav.

-Slot-kattekiht on R2R (rullimise) protsess, mis võib saavutada kõrgema saagise ja suurema mastaabisäästu.

Selles artiklis kirjeldatud pihusti katteprotsessi jaoks eeldatakse, et R2R-i (rullimise) protsessis kasutatakse ultrahelipihustitoaterdamist katalüsaatori ioomi segu ladestamiseks membraanile kõrgemal kiirusel kui elektrolüüs- ja d-rakendustes praegu kasutatav ühekordse pihustussüsteem (joonis 4 allpool). Pihustuskattesüsteem on integreeritud R2R kuivatamise süsteemiga, mis jälgib ka kogu protsessi jooksul kaetud ja katmata membraanide kvaliteeti.

Joonis 4: Tootmisprotsessi voog katalüsaatide deponeerimiseks pihustuspinnaga

Membraanidel katalüsaatori ladestumise suurema läbilaskevõime saavutamiseks võib osutuda vajalikuks välja töötada R2R töötlemismeetodid ja kasutada kattetehnoloogiaid, mis võivad katalüsaatori ja isomeeri segud kiiremini hoiustada.

See analüüs kirjeldab pesakatte kasutamist alternatiivina ultrahelipihustile, kuna pesakate võib katta membraanid kõrgema kiirusega kui pihustuskate ja see kujuneb võimaliku meetodina polümeerimembraanielektrolüüside CCM -i ja MEA tootmiskiiruste suurendamiseks.

Pesakattekattesüsteemi lisaseadmed on sarnased pihustusprotsessi omaga, sealhulgas R2R mähiseseadmete ja kvaliteedikontrollisüsteemidega (joonis 5 allpool).

Joonis 5: Tootmisprotsessi voog katalüsaatori sadestumiseks pesa kattega

Pärast CCM -i tootmist pihustamisel või pilukattega, koondatakse CCM ja MEA komponentideks transpordikihi abil.

3. bipolaarsed plaadid

Bipolaarsed plaadid eraldavad mõõtme elektrolüsaas ja hõlbustavad reagentide ja toodete liikumist meetmesse ja välja. Varasemates uuringutes võib bipolaarseid plaate valmistada 316L roostevabast terasest. See analüüs eeldab, et mähitud titaani kasutatakse bipolaarsete plaatide moodustamiseks ja seejärel plaatina kiht plaatinaplaatidele plaatitakse füüsikalise aurude ladestumisega (PVD).

PEM -elektrolüüsrites kasutatavate bipolaarsete plaatide paksus varieerub suuresti, ühise vahemikku 0,1 kuni 5 mm. Selle analüüsi jaoks valiti tavaline bipolaarne plaadi paksus 1,5 mm, välja arvatud täiendav plaatina katte paksus.

Joonis 6: bipolaarse plaadi tootmisprotsess

4. ühe lahtri ja elektrolüzeri komplekt

Kui üksikud komponendid on toodetud, tuleb komponendid kokku panna ja integreerida elektrolüüserisse ja virna (vt joonis 7 allpool). Esiteks on kokku pandud üksikud elektrolüüsid; Seejärel virnastatakse üksikud rakud ja kokku surutakse kokku, et moodustada elektrolüüseri virn.

Kokkupandud lahtri moodustamiseks kantakse bipolaarsele plaadile ekraanil trükitud tihend või raami kile ja bipolaarsele plaadile lisatakse membraanielektroodide komplekt (sealhulgas CCM, PTL ja GDL). Komplekt on ravitud ja lisatakse teistele virnas olevatele kokkupandud elektrolüzeritele. Kui virn on täielikult kokku pandud, lisatakse rakkude kokkusurumiseks ja kaitsmiseks riistvara (otsaplaadid, lipsuvardad jne).

Joonis 7: Elektrolüüseeride kokkupanekuprotsess

Stacki kokkupaneku mudel kaalub sõltuvalt tootmismahu skaalast mitut automatiseerimiskihti. Madalamate tootmismahtude korral on montaažiprotsess täielikult käsitsi, kusjuures üks töötaja teostab iga monteerimisprotsessi ja juhendab virna kokkupanekut igas etapis. Käsitsi montaaž nõuab rohkem töötajaid ja töötab automatiseeritud protsessidest aeglasemalt.