ゴールドラッカーを施した高純度のアルミ箔は、 PE M 電解槽バイポーラ プレート シールドのチタンの代わりに使用できますか?

プロトン交換膜 ( PE M) 水の電気分解をギガワット規模のグリーン水素生産に拡張するには、スタックレベルの設備投資 (CapEx) を積極的に削減する必要があります。バイポーラ プレート (BPP) と保護流れ場シールドは、 PE M スタックの総製造コストの約 45% ～ 55% を占めます。

従来、業界は、連続動作温度（60°C ～ 80°C）、酸性パーフルオロスルホン酸（PFSA）膜との接触（pH 1.0 ～ 3.0）、高い動作電圧（>1.8 V ～ 2.2 V vs. SHE）、酸素発生などの過酷な陽極環境に耐えるために、白金族金属（PGM）でコーティングされたグレード 1 またはグレード 2 のチタン箔基板に依存してきました。飽和。しかし、チタン箔には、原料市場のボラティリティの高さ、スタンピング速度の遅さ、深刻な金型かじり、および高い水素脆化リスクなど、商業上の重大な欠点があります。

金ラッカー高純度アルミニウム箔は、延性の高い高純度アルミニウム基板 (1000 シリーズ、純度 99.85% 以上) と 、サブミクロンの金顔料または PVD ​​結合ナノメートル保護シーラントを配合した耐薬品性でピンホールのない導電性ラッカーを組み合わせたもので、流れ場シールド、ガス拡散層 (GDL) 界面、およびカソード側プレート保護の代替手段となります。超低界面接触抵抗 (ICR) を実現し、酸性フッ化物イオンの浸出をブロックし、以上削減します。 60% チタンアセンブリと比較してシールド製造コストを

構造合金基板の力学

バイポーラ プレートの流体分配フォイルと流れ場シールドには、微細な裂け目なしにマイクロ チャネル流路 (幅/深さ 0.5 mm ～ 1.0 mm) を形成するための高いスタンピング適合性が必要です。

1085 高純度アルミ箔コア: 優れた均一伸び (完全焼鈍 O テンパーで >25%) を提供し、破れることなく複雑な蛇行または平行流パターンへの高速ロールエンボス加工および順送金型スタンピングを可能にします。

金属間微小介在物の除去: 純度レベル 99.85% 以上により、電気バイアス下で局所的なガルバニック孔食の主な場所となる鉄 - シリコン金属間化合物相 (Al₃Fe) が最小限に抑えられます。

熱伝導率と熱放散: 高いバルク熱伝導率 (グレード 2 チタンのわずか 16 W/m・K と比較して、>210 W/m・K) により、局所的なスタックの熱放散が促進され、プロトン交換膜に沿ったホットスポットの劣化が軽減されます。

導電性金漆ポリマー配合

コーティングされていないアルミニウムは、数ミリ秒以内に電気抵抗性の不動態化酸化膜 (Al2O3) を形成し、スタックの電気効率を大幅に低下させます。特殊なゴールド ラッカーは、この不動態層の蓄積を防ぎます。

導電性パーコレーションマトリックス: フッ素ポリマー/エポキシフェノール樹脂のキャリアに埋め込まれた高純度のサブミクロンのメタリックゴールドフレークを配合。金フレークは、膜厚全体にわたって連続的な導電経路を維持します。

フルオロポリマーの化学的不活性性: 高密度ポリマーバインダーは、PFSA 膜 (ナフィオンなど) の分解によって生成される微量のフッ化物ラジカル (F-) を含む温酸性脱イオン水にさらされた場合でも、膨潤や劣化に耐えます。

技術的な検証と実践的なパフォーマンス 

以下の性能比較では、金塗装高純度アルミニウム箔と従来のPE M 電解槽材料を比較しています。

スタック インテグレーターの B2B コマーシャル ペイオフとエンジニアリング ROI

よくある質問

Q1:アルミニウムはPE M 水電解装置内の酸性環境に本当に耐えることができますか?

A:裸のアルミニウムは酸性環境 (pH 1.5 ～ 3.0) ではすぐに腐食します。しかし、ピンホールのない、化学的に架橋されたゴールドラッカーバリアコーティングにより、金属コアは循環する脱イオン水から完全に隔離され、酸による攻撃や化学的溶解を防ぎます。

Q2: 微量のアルミニウムイオンがPE M 膜に浸出するとどうなりますか?

A:アルミニウムが溶解すると、パーフルオロスルホン酸 (PFSA) 膜のスルホン酸部位で、Al⊃3;⁺ カチオンがプロトン (H⁺) に置き換わります。これにより、膜のプロトン伝導性が劇的に低下し、セルの電圧効率が永続的に低下します。カチオンの浸出を防ぐには、不透過性で欠陥のないバリア コー​​ティングを使用することが不可欠です。   

Q3:なぜラッカーに金が含まれているのですか?また、金を使用すると箔が高くなりすぎますか?

A:金は優れた導電性を備えており、絶縁酸化膜を形成しません。金は、厚い固体メッキではなく、連続ロールコーティングされたポリマーマトリックス内でサブミクロンのフレークとして配合されます。これにより、低い界面接触抵抗 (≤ 5 mΩ・cm²) を維持しながら、最小限の貴金属を使用します。

Q4: フローフィールドチャネルのアルミニウムのスタンピングとチタンのスタンピングを比較するとどうですか?

A:チタン フォイルは硬く、スプリングバックが大きくなりやすいため、高価なスタンピング ダイを頻繁に摩耗させます。高純度の焼きなましアルミニウム箔 (1085-O) は延性と柔軟性があり、工具の摩耗を大幅に抑えながら、より高いサイクル速度で複雑なマイクロチャネルを打ち抜くことができます。

Q5: アルミニウムの熱伝導率は電解槽スタックにどのようなメリットをもたらしますか?

A:アルミニウムの熱伝導率は 210 W/m・K を超えますが、チタンの熱伝導率は約 16 W/m・K です。これにより、高電流密度によって発生した熱が冷却水チャネルに迅速に伝達され、膜の薄化と劣化を促進するホットスポットが排除されます。

結論

金塗装の高純度アルミニウム箔は、 PE M 電解槽の流れ場およびバイポーラ プレート アセンブリにおいて、薄いチタン箔に代わる実用的で拡張性が高く、コスト効率の高い材料を提供します。

電解槽スタック開発の材料選択を最適化するには:

最初にカソード側と流体分配層をターゲットにする: 主にカソード (水素発生) 側に金塗装アルミニウムを配置し、動作電位が低い二次的な流れ分配シールドを配置し、酸化力の高いアノード面には PGM コーティングされたチタンを確保します。

認定済みの低 ICR 配合物を指定する (≤5.0 mΩ・cm²): カーボンペーパー GDL を使用した標準スタック圧縮圧力 (1.0{MPa - 1.5MPa) での界面接触抵抗のサプライヤー検証を必要とします。

ゼロイオン浸出検証の義務化: 加熱した酸性試験槽で厳格な ICP-MS 化学抽出試験を実施し、アルミニウム陽イオン濃度が 1μg/L 以下に維持されることを保証し、プロトン交換膜を中毒から保護します。