PEM Electrolyzer Components și Prezentare generală a procesului

This paper provides an overview of the materials and design used in PEM ElectrolyzerProiectare, precum și procesele utilizate pentru fabricarea diferitelor componente ale electrolizorului. Tabelul 1 de mai jos listează principalele materiale și parametrii de performanță ai unui electrolizor de 1MW.

Tabelul 1: Specificații de proiectare cheie pentru electrolizele PEM

Pe baza unei zone active totale a membranei acoperite cu catalizator (CCM) într -o singură celulă de aproximativ 900 cm² (a se vedea figura 1 de mai jos). Acest electrolizor este un design pătrat cu dimensiuni egale în direcțiile X și Y.

Acest sistem descrie un electrolizor cu laturi egale, dar geometriile electrolizorului dreptunghiular și circular sunt alte abordări posibile. Alte sisteme comerciale folosesc modele circulare sau dreptunghiulare pentru a optimiza utilizarea materialelor sau pentru a facilita compresia celulelor.

Zona activă a CCM de pe electrolizer este delimitată de zona de etanșare și de marginea exterioară aPlacă bipolarăpentru a asigura compresia uniformă a celulelor.CCM, strat de transport poros (PTL) și strat de difuzie a gazelor (GDL) se extinde pe întreaga zonă activă CCM, plus o suprafață tampon de 10% pentru a permite procesarea materialelor folosind procese de tăiere a matriței, de exemplu.

Figura 1: Dimensiuni de bază ale unei celule de electrolizator

ViitorPEM ElectrolyserProiectele urmăresc să obțină densități de curent mai mari, să crească curentul total prin celulă și să crească producția de hidrogen pentru o geometrie celulară dată și numărul de celule individuale din celulă.

Presupunând că fiecare componentă a electrolizerului are un proces de fabricație care produce partea finită din materii prime, un model de proces de fabricație de jos este prezentat în figura 2 de mai jos.

Figura 2: Procesul de fabricație PEM Electrolyser care ilustrează diverse procese de producție pentru componente electrolyser

Expresie Explicație:

CCM:Membrană acoperită cu catalizator

Ceva:Ansamblu de electrozi cu membrană

GDL:Strat de difuzie a gazelor

PVD:Depunerea de vapori fizici

1. Straturi de transport

PTL anodul utilizat frecvent este acoperit cu un strat subțire de platină. Procesul de producție de jos în sus al acestei componente este prezentat în figura 3 de mai jos, folosind procesele de acoperire a titanului și depunerea de vapori fizici (PVD) pentru fabricarea componentei.

Pulberea de titan este transformată într -un strat de transport de titan finit prin sinterizare. Acest material sinterizat este apoi tăiat la dimensiuni specifice pentru asamblarea în stiva de electrolyser. Catodul GDL este pur și simplu achiziționat și tăiat la dimensiunea corespunzătoare (de obicei se pot folosi hârtie de carbon și pânză de carbon).

Figura 3: Graficul fluxului procesului de fabricație a procesului de sinterizare a titanului

2..

Ansamblul electrodului de membrană (MEA) include CCM și straturile de transport ale catodului și anodului. Procesul tradițional de producție al MEA pentru electrolizii PEM este de a depune amestecul de polimer catalizator pe membrană folosind tehnologia de pulverizare pentru a forma CCM, care este apoi asamblat cu stratul de transport pentru a forma MEA.

Din cercetările anterioare, CCM este cea mai mare componentă a costurilor celulei de combustibil, astfel încât au existat o mulțime de cercetări cu privire la oportunitățile de reducere a costurilor. Acest conținut ia în considerare două modalități de fabricare a CCM finisată: pulverizare cu ultrasunete și acoperire cu sloturi.

-Praying reprezintă metoda de producție experimentală și tradițională actuală pentru acoperirea catalizatorilor pe membranele de schimb de protoni. Este un proces mai lent, care nu este ușor scalabil la ratele mari de producție.

-Acoperirea slotă este un proces R2R (roll-to-roll) care poate obține randamente mai mari și economii mai mari de scară.

Pentru procesul de acoperire cu pulverizare descris în acest articol, se presupune că un coater de pulverizare cu ultrasunete este utilizat într-un proces R2R (roll-to-roll) pentru a depune amestecul catalizator-ion pe membrană la un ritm mai mare decât sistemele de pulverizare cu un singur film utilizat în prezent în aplicațiile de cercetare și dezvoltare electrolyzer (figura 4 de mai jos). Sistemul de acoperire prin pulverizare este integrat cu un sistem de uscare R2R care monitorizează, de asemenea, calitatea membranelor acoperite și neacoperite pe parcursul procesului.

Figura 4: Fluxul procesului de fabricație pentru depunerea catalizatorilor prin acoperire prin pulverizare

Pentru a obține un randament mai mare de depunere a catalizatorului pe membrane, poate fi necesar să se dezvolte metode de procesare R2R și să utilizeze tehnologii de acoperire care pot depune mai rapid amestecurile de catalizator și izomeri.

Această analiză descrie utilizarea acoperirii cu sloturi ca o alternativă la acoperirea cu pulverizare cu ultrasunete, deoarece acoperirea cu sloturi poate acoperi membranele cu rate mai mari decât acoperirea cu pulverizare și apare ca o posibilă metodă pentru a crește ratele de producție CCM și MEA pentru electrolizele cu membrană polimerică.

Echipamentele auxiliare pentru sistemul de acoperire a acoperirii cu sloturi este similar cu cel al procesului de pulverizare, inclusiv echipamentele de înfășurare R2R și sistemele de control al calității (figura 5 de mai jos).

Figura 5: Fluxul procesului de fabricație pentru depunerea catalizatorului prin acoperirea slotului

După ce CCM este produs prin pulverizare sau acoperire cu sloturi, CCM și MEA sunt asamblate în componente folosind un strat de transport.

3. Plăcile bipolare

Plăcile bipolare separă măsura în electrolizor și facilitează mișcarea reactanților și produselor în și din măsura. În studiile anterioare, plăcile bipolare pot fi realizate din oțel inoxidabil 316L. Această analiză presupune că titanul în plină formă este utilizat pentru a forma plăcile bipolare, iar apoi un strat subțire de platină este placat pe plăcile bipolare prin depunerea fizică de vapori (PVD).

Grosimea plăcilor bipolare utilizate în electrolizele PEM variază foarte mult, cu o gamă comună de 0,1 până la 5 mm. Pentru această analiză, a fost selectată o grosime comună a plăcii bipolare de 1,5 mm, cu excepția grosimii suplimentare de acoperire a platinei.

Figura 6: Procesul de fabricație a plăcilor bipolare

4. Ansamblu cu celule unice și electrolyzer

Odată ce componentele individuale sunt fabricate, componentele trebuie să fie asamblate și integrate în electrolizor și stivă (a se vedea figura 7 de mai jos). În primul rând, electrolizele individuale sunt asamblate; Celulele individuale sunt apoi stivuite și comprimate împreună pentru a forma o stivă de electrolist.

Pentru a forma o celulă asamblată, se aplică o garnitură imprimată pe ecran sau o peliculă de cadru (garnitură) pe placa bipolară, iar ansamblul electrodului de membrană (inclusiv CCM, PTL și GDL) este adăugat pe placa bipolară. Ansamblul este întărit și adăugat la celălalt electrolizere asamblate din stivă. Odată ce stiva este complet asamblată, hardware -ul (plăci de capăt, tije de legătură etc.) este adăugat pentru a comprima și proteja celulele.

Figura 7: Procesul de asamblare a electrolistului

Modelul de asamblare a stivei ia în considerare mai multe straturi de automatizare în funcție de scara volumului de producție. În cazul volumelor de producție mai mici, procesul de asamblare este complet manual, un singur lucrător efectuând fiecare proces de asamblare și supraveghează ansamblul stivei la fiecare etapă. Adunarea manuală necesită mai mulți lucrători și rulează mai lent decât procesele automatizate.