Ar gali auksu lakuotas labai grynas Aliuminio folija pakeisti titaną PE M elektrolizatoriaus dvipoliuose plokščių skyduose?

Norint padidinti protonų mainų membranos ( PE M) vandens elektrolizę iki gigavatų masto žaliojo vandenilio gamybos, reikia agresyviai sumažinti kapitalo išlaidas (CapEx). Dvipolės plokštės (BPP) ir apsauginiai srauto lauko skydai sudaro maždaug 45–55 % visų PE M kaminų gamybos sąnaudų.

Tradiciškai pramonė rėmėsi 1 arba 2 laipsnio titano folijos substratais, padengtais platinos grupės metalais (PGM), kad išgyventų atšiaurią anodinę aplinką: nuolatinę darbo temperatūrą (60°C - 80°C), rūgštinės perfluorsulfonrūgšties (PFSA) membranos kontaktą (pH 1,0 - 3,0 v.1 V2 V2 s. SHE) ir deguonies išsiskyrimo prisotinimas. Tačiau titano folija turi rimtų komercinių trūkumų: didelis žaliavų rinkos nepastovumas, lėtas štampavimo greitis, didelis štampavimas ir didelė vandenilio trapumo rizika.

Auksu lakuota didelio grynumo aliuminio folija – didelio lankstumo, didelio grynumo aliuminio substratai (1000 serija, ≥ 99,85 % grynumas) derinami su chemiškai atspariais, be skylučių laidžiais lakais, užpildytais submikroniniais aukso pigmentais arba su PVD sujungtais nanometriniais apsauginiais sandarikliais (L) ir difuzijos sluoksnio sandarinimo, G ir difuzijos sluoksnio alternatyva. katodo pusės plokštės apsauga. Jis užtikrina itin mažą sąsajos kontakto atsparumą (ICR), blokuoja rūgštinį fluoro jonų išplovimą ir sumažina skydo gamybos sąnaudas daugiau nei 60%,  palyginti su titano mazgais.

Struktūrinio lydinio substrato mechanika

Dvipolėms plokštelėms skirtoms skysčių paskirstymo folijoms ir srauto lauko ekranams reikalingas aukštas štampavimo tinkamumas, kad būtų suformuoti mikrokanalų srauto takai (0,5 mm–1,0 mm plotis/gylis) be mikroplyšimų:

1085 Aukšto grynumo Aliuminio folija Šerdis: užtikrina išskirtinį tolygų pailgėjimą (>25 % visiškai atkaitintoje O-temperatūroje), įgalindamas didelio greičio ritininį įspaudimą ir laipsnišką štampavimą į sudėtingus serpantino arba lygiagrečių srautų modelius be plyšimo.

Intermetalinių mikroinkliuzų pašalinimas: Grynumo lygis ≥ 99,85 % sumažina geležies ir silicio intermetalines fazes (Al3Fe), kurios yra pagrindinės vietos galvaninėms duobėms esant elektros poslinkiui.

Šilumos laidumas ir šilumos išsklaidymas: didelis tūrinis šilumos laidumas (>210 W/m·K, palyginti su tik 16 W/m·K 2 klasės titano atveju) pagreitina lokalų šilumos išsklaijimą, sumažindamas karštųjų taškų skilimą išilgai protonų mainų membranos.

Laidus aukso-lako polimero formulė

Nepadengtas aliuminis per milisekundes sudaro elektrai atsparią pasyvuojančią oksido plėvelę (Al2O3), todėl kamino elektrinis efektyvumas smarkiai sumažėja. Specializuotas auksinis lakas neleidžia šiam pasyviniam sluoksniui susidaryti:

Laidi perkoliavimo matrica: sudaryta iš didelio grynumo, mažesnio nei mikrono metalo aukso dribsnių, įterptų į fluorpolimero / epoksidinės fenolio dervos nešiklį. Aukso dribsniai palaiko nuolatinį laidų kelią per visą plėvelės storį.

Fluoropolimero cheminis inertiškumas: tankus polimero rišiklis atsparus brinkimui ir skilimui, kai yra veikiamas šilto rūgštinio dejonizuoto vandens, kuriame yra pėdsakų fluorido radikalų (F⁻), susidarančių skaidant PFSA membranas (pvz., Nafion).

Techninis patvirtinimas ir praktinis atlikimas 

Toliau pateiktame našumo palyginime įvertinama auksu lakuota didelio grynumo aliuminio folija, palyginti su tradicinėmis PE M elektrolizatoriaus medžiagomis:

B2B komercinis atsipirkimas ir inžinerijos investicijų grąža kamino integratoriams

DUK

1 klausimas: ar aliuminis tikrai gali išgyventi rūgštinėje aplinkoje PE M vandens elektrolizatoriuje?

A: Rūgščioje aplinkoje (pH 1,5–3,0) plikas aliuminis greitai korozuotų. Tačiau naudojant be skylučių, chemiškai susietą aukso-lako barjerinę dangą, metalinė šerdis yra visiškai izoliuota nuo cirkuliuojančio dejonizuoto vandens, užkertant kelią rūgšties poveikiui ir cheminiam tirpimui.

2 klausimas: kas atsitiks, jei aliuminio jonai prasiskleis į PE M membraną?

A: Jei aliuminis ištirpsta, Al⊃3;⁺ katijonai pakeičia protonus (H⁺) perfluorsulfoninės rūgšties (PFSA) membranos sulfonrūgšties vietose. Tai smarkiai sumažina membranos protonų laidumą ir visam laikui sumažina ląstelės įtampos efektyvumą. Norint išvengti katijonų išplovimo, būtina naudoti nepralaidžią, be defektų barjerinę dangą.   

3 klausimas: kodėl auksas įtrauktas į laką ir ar dėl to folija per brangi?

A: Auksas užtikrina išskirtinį elektros laidumą ir nesudaro izoliacinės oksido plėvelės. Auksas yra sudarytas kaip submikroniniai dribsniai, esantys ištisinėje ritininiu būdu dengtoje polimerinėje matricoje, o ne sunkioje kietoje dangoje. Tam naudojamas minimalus tauriųjų metalų kiekis, išlaikant mažą sąsajos kontakto varžą (≤ 5 mΩ·cm²).

4 klausimas: kuo aliuminio štampavimas lyginamas su titano štampavimu srauto lauko kanalams?

Ats.: Titano folija yra kieta, linkusi stipriai atsispirti ir dažnai sutrinka brangių štampavimo štampų. Didelio grynumo atkaitinta aliuminio folija (1085-O) yra lanksti ir atitinka reikalavimus, todėl sudėtingus mikrokanalus galima štampuoti daug didesniu ciklo greičiu ir žymiai mažesniu įrankių susidėvėjimu.

5 klausimas: kaip aliuminio šilumos laidumas naudingas elektrolizatoriaus kaminui?

A: Aliuminio šilumos laidumas viršija 210 W/m·K, o titano – maždaug 16 W/m·K. Tai padeda greitai perduoti didelio srovės tankio šilumą į aušinimo vandens kanalus, pašalinant karštąsias vietas, kurios pagreitina membranos plonėjimą ir degradaciją.

Išvada

Auksu lakuota didelio grynumo aliuminio folija yra praktiška, labai keičiamo dydžio ir ekonomiška medžiaga, alternatyva plonoms titano folijoms PE M elektrolizatoriaus srauto laukuose ir dvipolių plokščių mazguose.

Norėdami optimizuoti medžiagų pasirinkimą elektrolizatoriaus kamino kūrimui:

Pirmiausia tiksliniai katodo pusės ir skysčių paskirstymo sluoksniai: pirmiausia naudokite auksu lakuotą aliuminį katodo (vandenilio išsiskyrimo) pusėje ir antrinius srauto paskirstymo skydus ten, kur veikimo potencialas yra mažesnis, o PGM dengtą titaną palikite labai oksidaciniam anodo paviršiui.

Nurodykite sertifikuotas mažo ICR formules (≤5,0 mΩ·cm²): Reikalauti, kad tiekėjas patvirtintų sąsajos kontakto atsparumą esant standartiniam krūvos tankinimo slėgiui (1,0{ MPa – 1,5 MPa) naudojant anglinio popieriaus GDL.

Nulinio jonų išplovimo patikra: atlikite griežtus ICP-MS cheminio ekstrahavimo bandymus šildomose rūgštinėse bandymo voniose, kad užtikrintumėte, jog aliuminio katijonų koncentracija išliks mažesnė nei 1 μg/L ir apsaugotų protonų mainų membraną nuo apsinuodijimo.