Използването на водна електролиза с протонна обменна мембрана (PEM) за получаване на зелен водород се превърна в една от най-важните технологии в движението на света към устойчива енергия. Има важна част от всеки-високопроизводителен PEM електролизер, който е лесно да се пропусне, но не може да бъде заменен:титанов анодпорест транспортен слой (PTL). Тази сложна част гарантира, че водата стига до мястото, където трябва, въздухът се отървава лесно от системата и електрическата проводимост остава висока дори когато условията са трудни. Когато инженери, разработчици на проекти и специалисти по доставки избират материали за своите системи за производство на водород, знанието как работи PTL с титанов анод може да им помогне да направят по-добър избор.
1.Спецификация
Общи форми: плоча, прът, мрежа, тръба или персонализиране
Покритие: Класическата формула на Ir, IrO₂, Ru-Ir, Pt, PbO₂ или персонализиране
Електрохимична реакция: реакция на отделяне на кислород / реакция на отделяне на водород / реакция на отделяне на хлор
Вътрешен код: NAVI-1-001
Марка: NAVI Titanium®
Основен материал: чист титан Gr1
Разширени области на NAVI: Дезинфекция на басейни, пречистване на отпадни води и др.
2. Ръководство за закупуване
(1) Процес
NAVI Titanium (от 2008 г.) може да обработва според вашите дизайнерски чертежи
(2) Безплатна проба
NAVI Titanium доставя безплатна проба за общи спецификации
(3) Технологична поддръжка
Професионална-за-услуга, дизайн безплатен, добре дошли да се свържете с нас
Какво представлява титанов анод PTL и защо е важен в PEM електролизните стекове?
Когато се използват водни електролизатори с протонообменна мембрана, порестият транспортен слой е това, което държи анодната страна заедно. За разлика от обикновените системи за електролиза, които работят в алкална среда, PEM технологията се нуждае от материали, които могат да се справят с много киселинни условия и висок окислителен потенциал. Поради тези специфични проблеми, титанът е единственият материал, който може да се използва като субстрат за анода PTL.
Титановият анод PTL се състои от пореста титаниева основа, върху която има ценни метални катализатори, като платина и иридий. Структурите на порите, внимателно проектирани в субстрата, позволяват на водните молекули да преминават през тях, като същевременно осигуряват начини за излизане на кислородния газ. Градиентна порьозност, при която размерът на порите се променя от фин до груб по дебелината на материала, се използва в съвременните проекти за подобряване на водния поток и отстраняването на газовете.
Титанът не може да бъде заменен в тази ситуация поради редица причини. Титанът е много добър в устойчивостта на корозия в кисела среда. Той може да запази формата си дори когато е изложен на нива на рН под 1. Когато е покрит правилно с каталитични материали, материалът естествено образува тънък, стабилен оксиден слой, който го спира от по-нататъшно разграждане и го поддържа електропроводим. Други материали, като неръждаема стомана, ръждясват бързо в условия на PEM, докато базираните на въглерод-материали се окисляват при високия аноден потенциал, необходим за разделяне на водата.
Много важна част от полезността на PTL е каталитичното покритие, което се поставя върху титановата основа. Иридиевият оксид ускорява процеса на отделяне на кислород, а добавянето на платина го прави по-стабилен и добър в провеждането на електричество. Традиционните дебел-слойни покрития използват много от тези скъпи материали, което прави системата струва много по-скъпа. Новите технологии за покритие ни позволяват фино-настройване на количеството благороден метал, който се зарежда. Например модерните PTL с титаниев аноди могат да работят добре с натоварвания от едва 0,05 mg/cm², когато работят най-добре.
Как титановият PTL поддържа разпределението на водата и отстраняването на кислорода по време на електролиза
Едно от най-трудните неща при проектирането на PEM електролизатор е да го накарате да прави две неща едновременно: да премества водата и да се отърве от газа. Титановият анод PTL трябва да премести течната вода към слоя катализатор и едновременно с това да се освободи от кислородните мехурчета, които се образуват по време на реакцията на електролиза.
Механизми за воден транспорт през порест титан
Капилярното действие и потокът-, управляван от налягане, работят заедно, за да доставят вода до активните каталитични места. Порестата структура на титановия анод прави канали, които са свързани един с друг и позволяват на водните молекули да преминават през цялата дебелина на материала. Размерите на порите обикновено са между 5 и 50 микрометра, с по-малки отвори близо до контакта на катализатора, за да се гарантира, че водата се разпределя равномерно по повърхността на мембранния електроден възел. Тази градиентна структура спира сухи петна, които могат да повредят мембраната и да я накарат да работи по-зле.
Управление и премахване на кислородни мехурчета
На повърхността на катализатора се образуват газови мехурчета, когато водните молекули се разделят на водород и кислород. Тези мехурчета трябва бързо да излязат от клетката, за да не блокират активните места и да повишат съпротивлението на клетката. Theтитанов анодПорестата структура на PTL позволява на тези мехурчета да избягат. Те могат да се съединят и да се издигнат през по-големи дупки към каналите на потока. Ефективното премахване на мехурчетата намалява загубите на напрежение и прави системата да работи по-добре като цяло. Проучванията показват, че подобрените форми на PTL могат да намалят свръхнапрежението с 50 до 100 миливолта в сравнение с обикновените.
Балансиране на конкурентни транспортни изисквания
Намирането на най-добрия титаниев анод PTL означава балансиране на нужди, които са в противоречие една с друга. По-малките пори улесняват равномерното разпространение на водата, но затрудняват отделянето на газовете. По-големите пори улесняват излизането на мехурчетата, но могат да направят водата да тече по-неравномерно. Днешната градиентна технология за порест титан решава този проблем, като създава слоести структури, където характеристиките на порите се променят по контролиран начин с увеличаване на дебелината на материала. Това води до по-добра производителност при всякакви работни условия.
Ключови структурни фактори, влияещи върху производителността и надеждността на PTL с титанов анод
Доколко добре работи PTL с титанов анод в PEM електролизер се влияе от редица структурни фактори. Познаването на тези неща помага да се подобри дизайна на частите и да се познае колко надеждни ще бъдат те в дългосрочен план.
В наши дни PTL с титаниев анод обикновено имат обща порьозност между 30% и 60%. Електрическата и топлопроводимостта намаляват с нарастването на порьозността, но свойствата за движение на масата се подобряват. Няма значение каква е формата или колко връзки има всеки отвор. Дългите пори, които са перпендикулярни на повърхността на мембраната, позволяват на водата да преминава през тях и газът да се отстранява директно. Мрежата от извити пори обаче затруднява движението на течността. Насоченото синтероване и други усъвършенствани производствени методи създават съвпадащи структури на порите, които намаляват ефекта от извивката.
Друг важен елемент от дизайна е дебелината на PTL. По-тънките материали може да са по-добри за масов транспорт и по-ниско електрическо съпротивление, но може да са по-слаби и да издържат по-малко. Дебелините обикновено са между 0,5 и 2,0 милиметра; най-добрата дебелина зависи от налягането и плътността на тока при работа. За приложения с висока-мощност, които използват повече от 3 A/cm², по-тънките PTL са по-добри, защото намаляват загубите на напрежение. От друга страна, системите, които променят налягането, често се нуждаят от по-дебели материали, за да поддържат структурата здрава.
Повърхностна обработка и свойства на интерфейса
Контактното съпротивление и управлението на водата са силно повлияни от точката, където титановият анод PTL среща мембранния електроден възел. Повърхностните обработки, които правят нещо по-хидрофилно, улесняват полепването на водата върху него. Това гарантира, че течността се разпределя равномерно в активната зона. От друга страна, контролираните промени в хидрофобните региони могат да улеснят отстраняването на газа, като предотвратят натрупването на вода в пътищата за излизане на мехурчета. За да постигнете правилния баланс, трябва да имате прецизен контрол върху химията и формата на повърхността.
Как градиентната пореста титанова технология подобрява ефективността на PEM стека
Новите разработки в производството направиха възможно създаването на титанови структури с различни нива на порьозност, които работят по-добре от обикновените конструкции с еднаква порьозност. Тези материали от следващо-поколение са голяма крачка напред по отношение на това колко добре работят електролизерите PEM.
Много{0}}слоева архитектура и функционално градиране
Градиентният порест титан обикновено има два или три отделни слоя, като всеки слой е най-подходящ за определена работа. Слоят до модула на мембранния електрод има малки отвори (5–15 микрометра), които гарантират, че токът протича равномерно и водата достига до електродите. Порите в средния преходен слой стават по-големи с течение на времето, а порите в слоя, обърнат към каналите на полето на потока, са по-големи (30–50 микрометра), което улеснява бързото премахване на мехурчетата. Тази функционална степен намалява поляризацията на концентрацията и повишава ефективността на масовото пътуване като цяло.
Техники за производство на градиентни структури
За да направите градиентна порьозност, трябва да използвате сложни производствени методи. Преди синтероване методите на контролираната прахова металургия включват наслояване на титанови прахове с различни размери на частиците. Това прави чисти зони с различни свойства на порите. Някои други методи включват частично синтероване с прилагане на насочен натиск или производство на добавки, което изгражда структури слой по слой, като същевременно ви позволява да регулирате фино количеството порьозност във всяка област. С тези авангардни-методи компаниите, които правяттитанови анодиможе да подобри производителността до нива, невиждани досега.
Предимства в производителността в-приложения от реалния свят
PTL с градиентни порести титаниеви аноди са тествани на място и са показали подобрения в редица показатели. Когато работят при текущи нива над 2 A/cm², системите, използващи тези нови материали, са с 3–7% по-ефективни при използване на електричество от стандартните конструкции с еднаква порьозност. По-добрите свойства на масов транспорт позволяват да се използват по-високи плътности на тока, без да се причиняват твърде много падания на напрежението. Това прави възможно производството на повече водород за същия размер на стека. По-доброто отстраняване на мехурчета също намалява промените в напрежението, което прави системата по-стабилна и управлението по-бързо.
Бъдещи PTL иновации с титаниев анод за високо{0}}мощни водородни приложения
С нарастването на водородната икономика PEM електролизерите се променят, за да се справят с повече мощност и по-тежки условия на работа. В PTL технологията с титаниев анод тези тенденции са това, което поддържа нещата свежи.
Една от най-натоварените области на изследване е намирането на начини за използване на дори по-малко ценни метали, без да се намалява производителността или дълголетието. Методите за наноразмерно покритие правят каталитични слоеве, които са по-малки и по-правилни, което оползотворява максимално повърхностната площ. Някои експериментални методи използват редкоземни химикали, които могат да се лекуват сами, като се придвижват до счупени зони, докато покритието се използва. Това прави покритието по-дълготрайно и запазва своята функционалност. С тези нови идеи количеството ценен метал, което се зарежда, може да спадне до 0,03 mg/cm² или по-малко, което би направило системата много по-евтина.
За да се подобрят определени качества, бъдещите дизайни на титанов анод могат да включват смесени структури, които комбинират титан с допълнителни материали. Композитните PTL с титаниеви рамки, пълни с проводяща керамика, може да са в състояние да подобрят колко добре протича електричеството, като същевременно са устойчиви на корозия. Други обмислят използването на материали на базата на въглерод-в безопасни зони с нисък риск от окисляване, като се възползват от по-добрите им качества за транспортиране на маса, като същевременно зависят от титан за опора и химическа стабилност.
Интеграция с Advanced Stack Architectures
От PTL с титаниев аноди се изисква да изпълняват нови задачи в следващо-поколение PEM електролизни стекове благодарение на новаторския дизайн. PTL с вградени-функции за разпределение на течности са необходими за конфигурации с нулева-пролука, които не се нуждаят от отделни плочи за поле на потока. За системи, които работят при налягания над 100 bar, механичната якост трябва да се увеличи, без да се засягат транспортните качества. PTL компонентите, които са стандартизирани, улесняват изграждането и поддържането на модулни дизайни на стекове. Тези променящи се архитектури ще продължат да тласкат индустрията да предлага нови материали.
Заключение
В купчините електролизери PEM,титанов анодпорестият транспортен слой е повече от просто начин за събиране на ток. Тази сложна част съчетава няколко функции-поддържащи структурата, премествайки вода и газове и провеждайки електричество-в една система от материали, която може да работи в тежки условия в продължение на хиляди часове. Съвременната градиентна технология на порест титан е подобрила производителността, като същевременно намалява необходимото количество благороден метал. Това направи производството на зелен водород по--рентабилно в сравнение с опциите за изкопаеми горива.
Изборът на правилния титанов анод PTL изисква разбиране как структурните фактори, технологиите за покритие и производствените процеси влияят на производителността на системата. Компаниите, които произвеждат или използват PEM електролизатори, се справят по-добре, когато работят с доставчици, които имат както задълбочени технически познания, така и опит в производството на добри продукти. Тъй като употребата на водород продължава да расте от нишови пазари до масова енергийна инфраструктура, усъвършенстваните титаниеви анодни материали ще играят още по-важна роля.
ЧЗВ
1. Какво прави титана предпочитан материал за PEM анодни PTL електролизери?
+
-
Титанът има уникален набор от свойства, които го правят полезен за PEM приложения. Материалът не ръждясва дори при много киселинни (pH <1) условия и може да се справи с окислителен потенциал, по-висок от 2 волта в сравнение с нормален водороден електрод. Когато е покрит с подходящо покритие, титанът образува стабилен, тънък оксиден слой, който спира по-нататъшното разпадане, без да пречи на електрическия поток. Други материали, като неръждаема стомана, или ръждясват бързо (неръждаема стомана), или се окисляват по време на употреба (въглерод), така че титанът е почти единственият вариант за тази работа.
2. Колко дълго може PTL с титаниев анод да поддържа производителност при непрекъсната работа с PEM?
+
-
В наши дни PTL с титаниев аноди с високо-технологични покрития от благородни метали обикновено могат да работят непрекъснато над 10 000 часа при нормални условия на PEM електролизер. Действителният живот зависи от редица неща, като работната плътност на тока, честотата, с която се променя температурата, чистотата на водата и качеството на покритието. Системи, които използват специално проектирани градиентни порести повърхности и много-слойни каталитични покрития, показаха, че тяхното представяне не се променя много след повече от 30 000 часа бързо тестване. Това означава, че те могат да се използват непрекъснато повече от пет години.
3. Могат ли дизайните на PTL с титаниев анод да бъдат персонализирани за специфични приложения на електролизера?
+
-
разбира се Методите за оптимизация трябва да са различни за всяко приложение. По-тънките PTL със силна градиентна порьозност са по-добри за промишлени системи с висока-мощност, тъй като те намаляват загубите на напрежение при текущи скорости над 3 A/cm². Системите за възобновяема енергия, които трябва да променят натоварването си, често се нуждаят от по-добра механична дълготрайност и свързване на покритието. При работа при ниски температури могат да се използват по-малко ценни метали, но при работа при високи температури слоевете на катализатора трябва да са по-здрави. Надеждните доставчици работят в тясно сътрудничество с производителите на електролизери, за да гарантират, че порьозността на субстрата, съставът и дебелината на покритието са подходящи за всяко приложение.
Партньор с NAVI Titanium: Вашият доверен доставчик на титаниев анод за усъвършенствани PEM решения
Когато се нуждаете от най-добрата производителност и надеждност за вашия проект за PEM електролизер, NAVI Titanium разполага с титаниеви анодни решения, които са тествани и доказали, че работят в най-трудните ситуации. Нашите титанови аноди с покритие от платина/иридий- намаляват количеството благородни метали, които се зареждат с 30–60% в сравнение със стандартните конструкции. Това намалява много цената на вашата система, без да намалява нейната издръжливост или ефективност. Ние гарантираме, че всеки титаниев анод работи най-добре за вас, като го покриваме с Pt/Ir слой, който може да се променя от 0,05 mg/cm² на 0,5 mg/cm². Нашите усъвършенствани градиентни порести титанови повърхности и много-слойни преходни покрития гарантират, че производителността остава същата за над 10 000 часа постоянна употреба. NAVI Titanium прави възможно внасянето на-лабораторно създадени иновации в масово производство, независимо дали правите промишлени електролизатори с мегаватов-мащаб или специализирани системи за изследване.
Свържете се с нашия технически екип днес наSales@ntitanium.comза да обсъдим как нашата технология за титаниев анод от следващо-поколение може да оптимизира работата на вашия PEM електролизер, като същевременно намали разходите. Като водещтитанов аноддоставчик, ние сме готови да подкрепим вашите амбиции за екологичен водород с-материали от световна класа и отзивчиво техническо обслужване.
Референции
1. Carmo, M., Fritz, DL, Mergel, J. и Stolten, D. „Изчерпателен преглед на PEM водна електролиза“. Международен журнал за водородна енергия, 2013 г.
2. Шаленбах, М., Зераджанин, А.Р., Касиан, О., Черевко, С., и Майрхофер, KJJ „Гледна точка върху ниско{9}}температурната водна електролиза: Предизвикателства в алкалната и киселинната технология.“ Международен журнал за електрохимични науки, 2018 г.
3. Ito, H., Maeda, T., Nakano, A. и Takenaka, H. „Свойства на Nafion мембрани при условия на PEM водна електролиза“. Международен журнал за водородна енергия, 2011 г.
4. Лий, Б., Парк, К. и Ким, Х. „Дизайн на порест транспортен слой за водни електролизери с протонна обменна мембрана.“ Journal of Power Sources, 2020 г.
5. Mo, J., Kang, Z., Yang, G., Retterer, ST, Cullen, DA, Toops, TJ и Zhang, FY „Откриване на истински електрохимични реакции за ултрависока каталитична масова активност при разделяне на водата.“ Научен напредък, 2016 г.
6. Lettenmeier, P., Wang, R., Abouatallah, R., Helmly, S., Morawietz, T., Hiesgen, R., Kolb, S., Burggraf, F., Kallo, J., Gago, AS и Friedrich, KA „Устойчиви мембранни електродни възли за протоннообменни мембранни електролизни системи, работещи при Висока плътност на тока." Electrochimica Acta, 2016.
