PEM Electrolyzer Core Components at Pangkalahatang -ideya ng Proseso

Ang papel na ito ay nagbibigay ng isang pangkalahatang -ideya ng mga materyales at disenyo na ginamit saPEM Electrolyzerdisenyo, pati na rin ang mga proseso na ginamit upang gumawa ng iba't ibang mga sangkap ng electrolyzer. Ang talahanayan 1 sa ibaba ay naglilista ng mga pangunahing materyales at mga parameter ng pagganap ng isang 1MW electrolyzer.

Talahanayan 1: Mga pangunahing pagtutukoy ng disenyo para sa mga electrolyzer ng PEM

Batay sa isang kabuuang aktibong lugar ng catalyst coated membrane (CCM) sa isang solong cell na humigit -kumulang na 900 cm² (tingnan ang Larawan 1 sa ibaba). Ang electrolyzer na ito ay isang parisukat na disenyo na may pantay na sukat sa mga direksyon ng x at y.

Ang sistemang ito ay naglalarawan ng isang electrolyzer na may pantay na panig, ngunit ang hugis -parihaba at pabilog na geometry ng electrolyzer ay iba pang mga posibleng pamamaraan. Ang iba pang mga komersyal na sistema ay gumagamit ng pabilog o hugis -parihaba na disenyo upang ma -optimize ang paggamit ng materyal o mapadali ang compression ng cell.

Ang aktibong lugar ng CCM sa electrolyser ay nakasalalay sa lugar ng selyo at ang panlabas na gilid ngBipolar PlateUpang matiyak ang pantay na compression ng cell. AngCCM, Porous Transport Layer (PTL), at layer ng pagsasabog ng gas (Gdl) palawakin ang buong lugar ng CCM na aktibo, kasama ang isang 10% na lugar ng buffer upang payagan ang pagproseso ng materyal gamit ang mga proseso ng pagputol ng die, halimbawa.

Larawan 1: Pangunahing sukat ng isang cell ng electrolyser

HinaharapPEM ElectrolyserAng mga disenyo ay naglalayong makamit ang mas mataas na kasalukuyang mga density, dagdagan ang kabuuang kasalukuyang sa pamamagitan ng cell, at dagdagan ang output ng hydrogen para sa isang naibigay na cell geometry at bilang ng mga indibidwal na cell sa cell.

Sa pag-aakalang ang bawat sangkap ng electrolyser ay may proseso ng pagmamanupaktura na gumagawa ng natapos na bahagi mula sa mga hilaw na materyales, ang isang modelo ng proseso ng pagmamanupaktura ng ilalim ay ipinapakita sa Larawan 2 sa ibaba.

Larawan 2: Ang proseso ng pagmamanupaktura ng electrolyser ng PEM na naglalarawan ng iba't ibang mga proseso ng produksyon para sa mga sangkap ng electrolyser

Paliwanag ng parirala:

CCM:Catalyst coated membrane

Isang bagay:Membrane electrode Assembly

Gdl:Layer ng pagsasabog ng gas

PVD:Pag -aalis ng singaw ng pisikal

1. Mga layer ng transportasyon

Ang karaniwang ginagamit na anode PTL ay sintered titanium na pinahiran ng isang manipis na layer ng platinum. Ang proseso ng produksiyon sa ilalim ng sangkap na ito ay ipinapakita sa Figure 3 sa ibaba, gamit ang titanium sintering at pisikal na pag-aalis ng singaw (PVD) na mga proseso ng patong upang gumawa ng sangkap.

Ang titanium powder ay na -convert sa isang tapos na titanium transport layer sa pamamagitan ng pagsasala. Ang materyal na sintered na ito ay pagkatapos ay mamatay sa mga tiyak na sukat para sa pagpupulong sa stack ng electrolyser. Ang Cathode GDL ay binili lamang at mamatay na pinutol sa naaangkop na laki (karaniwang maaaring magamit ang carbon paper at carbon tela).

Larawan 3: Titanium Sintering Proseso ng Paggawa ng Proseso ng Paggawa ng Proseso

2. Catalyst Coated Membrane at Membrane Electrode Assembly (CCM at MEA)

Ang lamad ng elektrod na pagpupulong (MEA) ay may kasamang CCM at ang mga layer ng transportasyon ng cathode at anode. Ang tradisyunal na proseso ng produksiyon ng MEA para sa mga electrolyzer ng PEM ay upang ideposito ang halo ng polimer ng catalyst sa lamad gamit ang teknolohiya ng spray upang mabuo ang CCM, na pagkatapos ay tipunin kasama ang layer ng transportasyon upang mabuo ang MEA.

Mula sa nakaraang pananaliksik, ang CCM ay ang pinakamalaking sangkap ng gastos ng cell ng gasolina, kaya nagkaroon ng maraming pananaliksik sa mga pagkakataon upang mabawasan ang mga gastos. Itinuturing ng nilalamang ito ang dalawang paraan upang gumawa ng natapos na CCM: ultrasonic spraying at slot coating.

-Spraying ay kumakatawan sa kasalukuyang eksperimentong at tradisyonal na pamamaraan ng paggawa para sa mga patong na katalista sa mga lamad ng proton exchange. Ito ay isang mas mabagal na proseso na hindi madaling masusukat sa mga malalaking rate ng produksyon.

Angslot coating ay isang proseso ng R2R (roll-to-roll) na maaaring makamit ang mas mataas na ani at mas malaking ekonomiya ng scale.

Para sa proseso ng spray coating na inilarawan sa artikulong ito, ipinapalagay na ang isang ultrasonic spray coater ay ginagamit sa isang R2R (roll-to-roll) na proseso upang ideposito ang pinaghalong catalyst-ion papunta sa lamad sa isang mas mataas na rate kaysa sa mga one-shot spray system na kasalukuyang ginagamit sa electrolyzer R&D application (Larawan 4 sa ibaba). Ang sistema ng spray coating ay isinama sa isang sistema ng pagpapatayo ng R2R na sinusubaybayan din ang kalidad ng coated at uncoated membranes sa buong proseso.

Larawan 4: Ang daloy ng proseso ng pagmamanupaktura para sa pagdeposito ng mga katalista sa pamamagitan ng spray coating

Upang makamit ang mas mataas na throughput ng pag -aalis ng katalista sa mga lamad, maaaring kailanganin upang bumuo ng mga pamamaraan ng pagproseso ng R2R at gumamit ng mga teknolohiyang patong na maaaring magdeposito ng catalyst at isomer mixtures nang mas mabilis.

Inilalarawan ng pagsusuri na ito ang paggamit ng slot coating bilang isang alternatibo sa ultrasonic spray coating dahil ang coating coating ay maaaring mag -coat ng mga lamad sa mas mataas na rate kaysa sa spray coating at umuusbong bilang isang posibleng pamamaraan upang madagdagan ang mga rate ng produksyon ng CCM at MEA para sa polymer membrane electrolyzers.

Ang mga sampung kagamitan para sa sistema ng patong na patong ng slot ay katulad ng sa proseso ng spray, kabilang ang R2R na paikot -ikot na kagamitan at mga sistema ng kontrol ng kalidad (Larawan 5 sa ibaba).

Larawan 5: Ang daloy ng proseso ng pagmamanupaktura para sa pag -aalis ng katalista sa pamamagitan ng slot coating

Matapos ang CCM ay ginawa sa pamamagitan ng pag -spray o slot coating, ang CCM at MEA ay tipunin sa mga sangkap gamit ang isang layer ng transportasyon.

3. Mga Plato ng Bipolar

Ang mga bipolar plate ay naghihiwalay sa Meas sa electrolyzer at mapadali ang paggalaw ng mga reaksyon at mga produkto papasok at labas ng MEA. Sa mga nakaraang pag -aaral, ang mga bipolar plate ay maaaring gawin ng 316L hindi kinakalawang na asero. Ipinapalagay ng pagsusuri na ito na ang coiled titanium ay ginagamit upang mabuo ang mga plate ng bipolar, at pagkatapos ay isang manipis na layer ng platinum ay nakalagay sa mga bipolar plate sa pamamagitan ng pisikal na pag -aalis ng singaw (PVD).

Ang kapal ng mga plate na bipolar na ginamit sa PEM electrolyzers ay nag -iiba nang malaki, na may isang karaniwang saklaw na 0.1 hanggang 5 mm. Para sa pagsusuri na ito, ang isang karaniwang kapal ng plate na bipolar na 1.5 mm ay napili, hindi kasama ang karagdagang kapal ng platinum coating.

Larawan 6: Proseso ng Paggawa ng Plato ng Bipolar

4. Single Cell at Electrolyzer Assembly

Kapag ang mga indibidwal na sangkap ay ginawa, ang mga sangkap ay dapat tipunin at isama sa electrolyzer at stack (tingnan ang Larawan 7 sa ibaba). Una, ang mga indibidwal na electrolyzer ay tipunin; Ang mga indibidwal na mga cell ay pagkatapos ay nakasalansan at naka -compress nang magkasama upang makabuo ng isang electrolyzer stack.

Upang makabuo ng isang natipon na cell, ang isang naka-print na gasket o frame film (gasket) ay inilalapat sa bipolar plate, at ang membrane electrode assembly (kabilang ang CCM, PTL, at GDL) ay idinagdag sa plate ng bipolar. Ang pagpupulong ay gumaling at idinagdag sa iba pang mga natipon na electrolyzer sa salansan. Kapag ang stack ay ganap na tipunin, ang hardware (end plate, tie rod, atbp.) Ay idinagdag upang i -compress at protektahan ang mga cell.

Larawan 7: proseso ng pagpupulong ng electrolyzer

Ang modelo ng pagpupulong ng stack ay isinasaalang -alang ang ilang mga layer ng automation depende sa laki ng dami ng produksyon. Sa kaso ng mas mababang dami ng produksyon, ang proseso ng pagpupulong ay ganap na manu -manong, na may isang solong manggagawa na gumaganap ng bawat proseso ng pagpupulong at pangangasiwa ng pagpupulong ng salansan sa bawat hakbang. Ang manu -manong pagpupulong ay nangangailangan ng mas maraming mga manggagawa at tumatakbo nang mas mabagal kaysa sa mga awtomatikong proseso.