PEM Elektrolyzer Core Componenten en procesoverzicht

Dit artikel geeft een overzicht van het materiaal en de ontwerp die is gebruikt inPEM -elektrolyzerOntwerp, evenals de processen die worden gebruikt om de verschillende componenten van de elektrolyzer te produceren. Tabel 1 hieronder vermeldt de belangrijkste materialen en prestatieparameters van een 1MW elektrolyzer.

Tabel 1: Belangrijkste ontwerpspecificaties voor PEM -elektrolyzers

Gebaseerd op een totaal actief gebied van het katalysator gecoate membraan (CCM) in een enkele cel van ongeveer 900 cm² (zie figuur 1 hieronder). Deze elektrolyzer is een vierkant ontwerp met gelijke afmetingen in de X- en Y -richtingen.

Dit systeem beschrijft een elektrolyzer met gelijke zijden, maar rechthoekige en cirkelvormige elektrolyzergeometrieën zijn andere mogelijke benaderingen. Andere commerciële systemen gebruiken cirkelvormige of rechthoekige ontwerpen om het gebruik van materiaal te optimaliseren of celcompressie te vergemakkelijken.

Het CCM -actieve gebied op de elektrolyser wordt begrensd door het afdichtingsgebied en de buitenrand van debipolaire plaatom uniforme celcompressie te garanderen. DeCCM, poreuze transportlaag (PTL) en gasdiffusielaag (GDL) Uitbreiden over het gehele CCM Active Area, plus een buffergebied van 10% om materiaalverwerking mogelijk te maken met behulp van die-cutting-processen, bijvoorbeeld.

Figuur 1: Basisafmetingen van een elektrolyseercel

ToekomstPEM -elektrolyserOntwerpen zijn gericht op het bereiken van hogere stroomdichtheden, de totale stroom door de cel verhogen en de output van waterstof voor een gegeven celgeometrie en aantal individuele cellen in de cel verhogen.

Ervan uitgaande dat elk component van de elektrolyser een productieproces heeft dat het voltooide onderdeel van grondstoffen produceert, wordt een bottom-up productieprocesmodel weergegeven in figuur 2 hieronder.

Figuur 2: PEM -productieproces voor elektrolysers dat verschillende productieprocessen illustreert voor elektrolysercomponenten

Zin uitleg:

CCM:Catalyst gecoat membraan

Iets:membraanelektrode -assemblage

GDL:gasdiffusielaag

PVD:Fysieke dampafzetting

1. Transportlagen

De veelgebruikte anode PTL is gesinterd titanium gecoat met een dunne laag platina. Het bottom-up productieproces van deze component wordt getoond in figuur 3 hieronder, met behulp van titanium sintering en fysieke dampafzetting (PVD) coatingprocessen om de component te produceren.

Titaniumpoeder wordt omgezet in een afgewerkte titaniumtransportlaag door sinteren. Dit gesinterde materiaal wordt vervolgens doorgesneden op specifieke maten voor montage in de elektrolyserstapel. De kathode-GDL wordt eenvoudig gekocht en kan worden gesneden naar de juiste grootte (meestal kan koolstofpapier en koolstofdoek worden gebruikt).

Figuur 3: Titanium sinteringproces productieprocesstroomdiagram

2. Catalyst gecoate membraan en membraanelektrode -assemblage (CCM en MEA)

De membraanelektrode -assemblage (MEA) omvat de CCM en de kathode- en anode transportlagen. Het traditionele productieproces van MEA voor PEM -elektrolyzers is om het katalysatorpolymeermengsel op het membraan te deponeren met behulp van spuittechnologie om de CCM te vormen, die vervolgens wordt geassembleerd met de transportlaag om het MEA te vormen.

Uit verleden onderzoek is CCM het grootste onderdeel van de kosten van de brandstofcel, dus er is veel onderzoek gedaan naar kansen om de kosten te verlagen. Deze inhoud houdt op twee manieren om voltooide CCM te produceren: ultrasone spuiten en slotcoating.

-Spraying vertegenwoordigt de huidige experimentele en traditionele productiemethode voor coatingkatalysatoren op protonuitwisselingsmembranen. Het is een langzamer proces dat niet gemakkelijk schaalbaar is naar grote productiesnelheden.

-Slot-coating is een R2R (roll-to-roll) proces dat hogere opbrengsten en grotere schaalvoordelen kan bereiken.

Voor het spuitcoatingproces dat in dit artikel wordt beschreven, wordt aangenomen dat een ultrasone spuitcoater wordt gebruikt in een R2R (roll-to-roll) proces om het katalysator-ionenmengsel met een hogere snelheid op het membraan te deponeren dan de one-shot spray-systemen die momenteel worden gebruikt in elektrolyzer R & D-toepassingen (figuur 4 hieronder). Het spuitcoatsysteem is geïntegreerd met een R2R -droogsysteem dat ook de kwaliteit van de gecoate en niet -gecoate membranen tijdens het hele proces bewaakt.

Figuur 4: Fabricageprocesstroom voor afzettingskatalysatoren door spuitcoating

Om een ​​hogere doorvoer van katalysatorafzetting op membranen te bereiken, kan het nodig zijn om R2R -verwerkingsmethoden te ontwikkelen en coatingtechnologieën te gebruiken die sneller katalysator- en isomeermengsels kunnen deponeren.

Deze analyse beschrijft het gebruik van sleufcoating als een alternatief voor ultrasone spraycoating omdat sleufcoating membranen met hogere snelheden kan coaten dan spuitcoating en is opkomen als een mogelijke methode om de productiesnelheden van CCM en MEA voor polymeermembraanelektrolyzers te verhogen.

De aanvullende apparatuur voor het slotcoatingcoatingsysteem is vergelijkbaar met die van het spuitproces, inclusief R2R -wikkelapparatuur en kwaliteitscontrolesystemen (figuur 5 hieronder).

Figuur 5: Fabricageprocesstroom voor katalysatorafzetting via slotcoating

Nadat de CCM is geproduceerd door te spuiten of slotcoating, worden de CCM en MEA geassembleerd in componenten met behulp van een transportlaag.

3. Bipolaire platen

De bipolaire platen scheiden de maten in de elektrolyzer en vergemakkelijken de beweging van reactanten en producten in en uit de meet. In eerdere studies kunnen de bipolaire platen worden gemaakt van 316L roestvrij staal. Deze analyse veronderstelt dat opgerolde titanium wordt gebruikt om de bipolaire platen te vormen, en vervolgens wordt een dunne laag platina uitgeplaat op de bipolaire platen door fysieke dampafzetting (PVD).

De dikte van de bipolaire platen die worden gebruikt in PEM -elektrolyzers varieert sterk, met een gemeenschappelijk bereik van 0,1 tot 5 mm. Voor deze analyse werd een gemeenschappelijke bipolaire plaatdikte van 1,5 mm geselecteerd, met uitsluiting van de extra dikte van de platina -coating.

Figuur 6: Bipolair plaatproductieproces

4. Enkele cel- en elektrolyzerassemblage

Zodra de afzonderlijke componenten zijn vervaardigd, moeten de componenten worden geassembleerd en geïntegreerd in de elektrolyzer en stapel (zie figuur 7 hieronder). Ten eerste worden individuele elektrolyzers geassembleerd; De afzonderlijke cellen worden vervolgens gestapeld en samengedrukt om een ​​elektrolyzerstapel te vormen.

Om een ​​geassembleerde cel te vormen, wordt een schermafdrukfilm (pakking) aangebracht op de bipolaire plaat en de membraanelektrode-assemblage (inclusief CCM, PTL en GDL) wordt aan de bipolaire plaat toegevoegd. De montage is genezen en toegevoegd aan de andere geassembleerde elektrolyzers in de stapel. Zodra de stapel volledig is geassembleerd, worden de hardware (eindplaten, tie -staven, enz.) Toegevoegd om de cellen te comprimeren en te beschermen.

Figuur 7: Elektrolyzer -assemblageproces

Het stapelassemblagemodel beschouwt verschillende lagen automatisering, afhankelijk van de schaal van het productievolume. In het geval van lagere productievolumes is het assemblageproces volledig handmatig, waarbij een enkele werknemer elk assemblageproces uitvoert en de assemblage van de stapel bij elke stap toezicht houdt. Handmatige montage vereist meer werknemers en loopt langzamer dan geautomatiseerde processen.