Overzicht van PEM-waterstofproductie door waterelektrolyse II

Overzicht van PEM-waterstofproductie door waterelektrolyse II

Electrolzer Stack-componenten

De componenten die worden gebruikt in PEM-elektrolyse zijn van cruciaal belang voor een stapel met goede prestaties en duurzaamheid. Belangrijke componenten zijn onder meer bipolaire platen, stroomcollectoren en membraanelektrodesamenstellen (MEA's). De bipolaire platen hebben de taak om water gelijkmatig over de stroomcollectoren (of diffusiemedia) in de cel te verdelen. De kenmerken van bipolaire platen vormen een uitdaging voor elke materiaalklasse vanwege de aanwezigheid van zuurstof, een zure omgeving en hoge overspanning. Het ontwerp en de materiaalkeuze van bipolaire platen in PEMWE zijn cruciale kwesties voor wetenschappers en ingenieurs.

De belangrijkste functies van de bipolaire platen in PEMWE zijn als volgt:
1. Geleid elektronen om het circuit te voltooien en verbind individuele cellen in serie om een batterijpakket te vormen
2. Zorg voor een stromingspad voor het gelijkmatig verdelen van water over de huidige collector (of diffusiemedium)
3. Scheid zuurstof en waterstof
4. Zorg voor een structuur om de membraanelektroden voor de batterij te ondersteunen
5. Zorg voor warmtegeleiding om de temperatuur van de elektrolyseur te regelen

Om deze belangrijke functies uit te voeren, moet het materiaal van de bipolaire plaat speciale eigenschappen hebben, zoals een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, lage gasdoorlaatbaarheid, hoge mechanische sterkte en corrosieweerstand.

Momenteel wordt een verscheidenheid aan materialen gebruikt in bipolaire platen, waaronder titanium, grafiet en gecoat roestvrij staal. Grafiet garandeert echter geen hoge prestaties in PEMWE vanwege de hoge corrosiesnelheid en lage mechanische sterkte. Titanium heeft uitstekende eigenschappen, maar vormt een passieve oxidelaag die de contactweerstand en thermische geleidbaarheid vermindert. Dit fenomeen kan de stapelprestaties in de loop van de tijd verslechteren. Er is ook onderzoek gedaan naar bipolaire titaniumplaten met een gouden coating, met goede resultaten op het gebied van stabiliteit. Dit proces verhoogt echter de kosten van de componenten. Gecoat roestvrij staal is een goedkoper alternatief voor titanium, maar kleine defecten in de coating stellen het metaal bloot aan corrosie. Corrosie van het metaal leidt tot vernietiging van de coating, waardoor de ohmse weerstand toeneemt. Bovendien diffunderen opgeloste metaalionen in het PEM-membraan en verminderen de ionische geleidbaarheid, wat resulteert in een verhoogde membraandegradatie.

De bipolaire platen en diffusielagen zijn de duurdere componenten in een PEMWE. De diffusielaag heeft als functie het overbrengen van elektronen van de katalytische laag naar de bipolaire platen en het verwijderen van gassen (waterstof en zuurstof) uit de katalytische laag. Porositeit en geleidbaarheid zijn daarom belangrijke parameters voor de diffusielaag. De poriegrootte en -structuur zijn kritische factoren omdat gassen uit de cel moeten worden afgevoerd en water dichtbij de katalytische laag wordt gehouden. Een onjuiste poriestructuur kan de celspanning met maximaal 100 mV verhogen bij 2 A cm−2.