說明:本文和上篇來自同一文獻編譯整理!
根據以上章節分解PEM電解槽的構成和成本占比,以及詳細說明各部件發揮的作用,我們大致對未來如何能夠制造出性價比高的PEM電解槽或者是如何能提高性能的同時降低其高昂的成本有了些基本的判斷。如下圖所示,另根據這些細節下面針對性展開說明:
PEMWE關鍵材料的未來研究方向
近年來,許多低鉑/銥,甚至無鉑/銥的電催化劑被開發出來。然而,在PEM制氫中還遠遠沒有應用到。一方面,這些電催化劑的性能評估是基于三電極系統,與PEMWE的操作條件不同,這是一個實驗室規模的評估。大多數電催化劑在PEMWE中不能表現出安培級電流密度和年份級別的壽命。另一方面,這些替代電催化劑的制備技術難以達到千克級。因此,在進一步的研究中,應考慮電催化劑在PEMWE條件下的性能和大規模制備工藝。
二、新一代質子交換膜(PEM)
(a)通過添加PEM夾層結構對PEM進行改性降低氣體滲透;
(b)在保證水化程度的同時,提高其化學穩定性和機械性能;
(c)提高其工作溫度上限,提高其熱穩定性;
(d)開發成本較低的膜(例如碳氫基膜)。
MEA由PEM、陰極和陽極催化劑層組成,有時包含兩個GDL。它是電解水的主戰場。因此,調整MEA的制作可以從根本上提高PEMWE的成本、性能和壽命。文中描述的改進不僅限于電催化劑的改性,還包括對MEA的制備工藝進行了優化,包括漿料成分、涂膜方法、熱壓條件等。一般來說,改進MEA的制備工藝可以通過以下途徑:
(e)調整漿料成分、涂覆方法和熱壓條件的兼容性,實現高效穩定的MEA的精確構建。
GDL是水/氣轉換和電子傳輸的主要場所。因此,可以通過提高GDL的孔隙率和導電性來實現GDL的優化。合理調整GDL的孔隙結構和孔徑將提高電子傳遞效率,加快水/氣轉換,使PEMWE具有優異的性能。由于惡劣的工作環境,鈦是GDL在陽極側的唯一選擇。鈦網、燒結粉、毛氈和泡沫目前在工業上用作GDL。值得注意的是,Ti基GDL面臨的主要挑戰是其降解(如表面鈍化和氫脆),這將導致接觸電阻的增加和機械強度的衰減。為了防止GDL的降解,通常在其表面涂上一層貴金屬(如Au和Pt)保護層,以滿足工業對性能和壽命的要求。然而,這也將增加PEMWE的成本。因此,尋找低成本、高導電性、高耐腐蝕、抗氫脆的涂層材料是人們不懈的追求。
五、優化BP設計
BP的功能包括導電、提供水路、分離O2和H2、支撐電解槽和提供熱傳導。因此,板材材料要求導電性高、耐腐蝕、透氣性低、機械強度強、導熱系數高。鍍有貴金屬的鈦(如Au和Pt)仍然是最好的選擇。引入貴金屬大大增加了成本。因此,尋找降低成本的解決方案是bp發展的主要難點。最有效的方法是通過改進涂層成分或制備工藝來降低涂層材料中貴金屬的含量。為了進一步降低成本,非貴金屬涂層(如Zr和Nb涂層)也正在開發中。優化bp的另一個方向是其流場的合理設計。目前,BP的流場設計主要有以下三種類型:
(c)使用沖壓有凹槽的鈦板。
原文始發于微信公眾號(氫眼所見):PEM電解槽降本和發展展望