Überblick über die PEM-Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse II

Überblick über die PEM-Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse II

Komponenten des Electrolzer Stacks

Die verwendeten Komponenten PEM-Elektrolyse sind entscheidend für einen Stack mit guter Leistung und Haltbarkeit. Zu den Schlüsselkomponenten gehören Bipolarplatten, Stromkollektoren und Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs). Die Aufgabe der Bipolarplatten besteht darin, das Wasser gleichmäßig über die Stromkollektoren (oder Diffusionsmedien) im Inneren der Zelle zu verteilen. Die Eigenschaften von Bipolarplatten stellen aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff, einer sauren Umgebung und einer hohen Überspannung eine Herausforderung für jede Materialklasse dar. Das Design und die Materialauswahl von Bipolarplatten in PEMWE sind entscheidende Themen für Wissenschaftler und Ingenieure.

Die Hauptfunktionen der Bipolarplatten in PEMWE sind folgende:
1. Leiten Sie Elektronen, um den Stromkreis zu vervollständigen, und verbinden Sie einzelne Zellen in Reihe, um einen Batteriesatz zu bilden
2. Stellen Sie einen Strömungsweg zur gleichmäßigen Verteilung des Wassers auf dem Stromkollektor (oder dem Diffusionsmedium) bereit.
3. Sauerstoff und Wasserstoff trennen
4. Stellen Sie eine Struktur zur Unterstützung der Membranelektroden für die Batterie bereit
5. Sorgen Sie für Wärmeleitung, um die Temperatur des Elektrolyseurs zu regeln

Um diese wichtigen Funktionen erfüllen zu können, muss das Material der Bipolarplatte besondere Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, geringe Gasdurchlässigkeit, hohe mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Derzeit werden in Bipolarplatten verschiedene Materialien verwendet, darunter Titan, Graphit und beschichteter Edelstahl. Allerdings garantiert Graphit aufgrund seiner hohen Korrosionsrate und geringen mechanischen Festigkeit keine hohe Leistung in PEMWE. Titan hat hervorragende Eigenschaften, bildet jedoch eine passive Oxidschicht, die seinen Kontaktwiderstand und seine Wärmeleitfähigkeit verringert. Dieses Phänomen kann die Stack-Leistung mit der Zeit beeinträchtigen. Auch goldbeschichtete Titan-Bipolarplatten wurden untersucht, mit guten Ergebnissen hinsichtlich der Stabilität. Dieser Prozess erhöht jedoch die Kosten der Komponenten. Beschichteter Edelstahl ist eine günstigere Alternative zu Titan, aber kleine Mängel in der Beschichtung setzen das Metall der Korrosion aus. Korrosion des Metalls führt zur Zerstörung der Beschichtung, wodurch sich der ohmsche Widerstand erhöht. Darüber hinaus diffundieren gelöste Metallionen in die PEM-Membran und verringern die Ionenleitfähigkeit, was zu einer verstärkten Membrandegradation führt.

Die Bipolarplatten und Diffusionsschichten sind die teureren Komponenten in einem PEMWE. Die Diffusionsschicht hat die Funktion, Elektronen von der katalytischen Schicht auf die Bipolarplatten zu übertragen und Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) aus der katalytischen Schicht zu entfernen. Porosität und Leitfähigkeit sind daher wichtige Parameter für die Diffusionsschicht. Porengröße und -struktur sind entscheidende Faktoren, da Gase aus der Zelle abgelassen werden müssen und Wasser in der Nähe der katalytischen Schicht gehalten wird. Eine falsche Porenstruktur kann die Zellspannung um bis zu 100 mV bei 2 A cm−2 erhöhen.