PEM 전해기 코어 구성 요소 및 프로세스 개요

이 논문은PEM 전해저설계뿐만 아니라 전해기의 다양한 구성 요소를 제조하는 데 사용되는 공정. 아래 표 1에는 1MW 전해저의 주요 재료 및 성능 매개 변수가 나와 있습니다.

표 1 : PEM 전해저의 주요 설계 사양

약 900 cm²의 단일 셀에서 촉매 코팅 막 (CCM)의 총 활성 영역에 기초한다 (아래 그림 1 참조). 이 전해차는 X 및 Y 방향으로 동일한 치수를 가진 사각형 설계입니다.

이 시스템은 동일한 측면을 가진 전해저를 설명하지만 직사각형 및 원형 전해저 형상은 다른 가능한 접근법입니다. 다른 상용 시스템은 원형 또는 직사각형 설계를 사용하여 재료 사용을 최적화하거나 셀 압축을 용이하게합니다.

전자기의 CCM 활성 영역은 씰 영역과 바깥 쪽 가장자리에 의해 제한됩니다.바이폴라 플레이트균일 한 세포 압축을 보장합니다. 그만큼CCM, 다공성 수송층 (PTL) 및 가스 확산 층 (GDL) 전체 CCM 활성 영역에 걸쳐 확장하고 10% 버퍼 영역을 확장하여 예를 들어 다이 절단 공정을 사용하여 재료 처리를 허용합니다.

그림 1 : 전기 세포 셀의 기본 치수

미래Pem Electrolyser설계는 더 높은 전류 밀도를 달성하고, 세포를 통한 총 전류를 증가 시키며, 주어진 세포 형상 및 세포의 개별 세포 수에 대한 수소의 출력을 증가시키는 것을 목표로합니다.

전기 계수의 각 구성 요소가 원료에서 완성 된 부품을 생산하는 제조 공정을 가지고 있다고 가정하면, 상향식 제조 공정 모델이 아래 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 : 전기 전자 부품을위한 다양한 생산 공정을 보여주는 PEM 전기 전자 제조 공정

문구 설명 :

CCM:촉매 코팅 된 막

무엇:막 전극 조립

GDL:가스 확산층

PVD :물리적 증기 증착

1. 전송 레이어

일반적으로 사용되는 양극 PTL은 얇은 백금 층으로 코팅 된 소결 티타늄입니다. 이 구성 요소의 상향식 생산 공정은 티타늄 소결 및 물리적 증기 증착 (PVD) 코팅 공정을 사용하여 구성 요소를 제조합니다.

티타늄 파우더는 소결에 의해 완성 된 티타늄 수송층으로 전환됩니다. 이 소결 재료는 전기 리저 스택에 어셈블리를 위해 특정 크기로 다이 자르기입니다. 캐소드 GDL은 단순히 구매하여 적절한 크기로 다이를 뿌립니다 (일반적으로 탄소 종이 및 탄소 천을 사용할 수 있음).

그림 3 : 티타늄 소결 공정 제조 공정 유량 차트

2. 촉매 코팅 된 막 및 막 전극 어셈블리 (CCM 및 MEA)

막 전극 어셈블리 (MEA)는 CCM 및 음극 및 양극 수송 층을 포함한다. PEM 전해저에 대한 MEA의 전통적인 생산 공정은 스프레이 기술을 사용하여 촉매 중합체 혼합물을 막 위에 퇴적하여 CCM을 형성하는데,이어서 수송 층으로 조립되어 MEA를 형성하는 것이다.

과거 연구에서 CCM은 연료 전지 비용의 가장 큰 구성 요소이므로 비용을 줄일 수있는 기회에 대한 많은 연구가있었습니다. 이 컨텐츠는 완성 된 CCM을 제조하는 두 가지 방법 인 초음파 스프레이 및 슬롯 코팅을 고려합니다.

스프레이는 양성자 교환 막에서 촉매를 코팅하기위한 현재 실험 및 전통적인 생산 방법을 나타냅니다. 대량 생산 속도로 쉽게 확장 할 수없는 느린 프로세스입니다.

-Slot 코팅은 R2R (롤 투-롤) 공정으로, 더 높은 수율과 규모의 경제를 달성 할 수 있습니다.

이 기사에 설명 된 스프레이 코팅 공정의 경우, 초음파 스프레이 코터는 R2R (롤 투-롤) 공정에 사용되어 현재 전해기 R & D 응용에 사용되는 1- 샷 스프레이 시스템보다 촉매-이온 혼합물을 막에 더 높은 속도로 퇴적하는 것으로 가정합니다 (아래 그림 4). 스프레이 코팅 시스템은 공정 전반에 걸쳐 코팅 및 코팅되지 않은 막의 품질을 모니터링하는 R2R 건조 시스템과 통합됩니다.

그림 4 : 스프레이 코팅에 의해 촉매 증착을위한 제조 공정 흐름

막에서 촉매 증착의 더 높은 처리량을 달성하기 위해, R2R 처리 방법을 개발하고 더 빨리 촉매 및 이성질체 혼합물을 증착 할 수있는 코팅 기술을 사용해야 할 수도있다.

이 분석은 슬롯 코팅이 스프레이 코팅보다 더 높은 속도로 막을 코팅 할 수 있고 중합체 막 전해질에 대한 CCM 및 MEA 생산 속도를 증가시키는 가능한 방법으로 떠오르기 때문에 슬롯 코팅의 사용을 설명합니다.

슬롯 코팅 코팅 시스템 용 보조 장비는 R2R 권선 장비 및 품질 관리 시스템을 포함하여 스프레이 공정의 장비와 유사합니다 (아래 그림 5).

그림 5 : 슬롯 코팅을 통한 촉매 증착을위한 제조 공정 흐름

CCM이 스프레이 또는 슬롯 코팅에 의해 생성 된 후, CCM 및 MEA는 전송 층을 사용하여 구성 요소로 조립된다.

3. 바이폴라 플레이트

바이폴라 플레이트는 전해저에서 측정 값을 분리하고 반응물 및 생성물의 이동을 측정으로 내리거나 내립니다. 이전 연구에서, 양극도는 316L 스테인레스 스틸로 만들 수 있습니다. 이 분석은 감지 된 티타늄이 양극판을 형성하는데 사용되는 다음, 물리적 증기 증착 (PVD)에 의해 바이폴라 플레이트에 얇은 백금 층을 도금된다고 가정한다.

PEM 전해저에 사용되는 양극판의 두께는 0.1 내지 5 mm의 공통 범위로 크게 다릅니다. 이 분석을 위해, 추가 백금 코팅 두께를 제외하고 1.5 mm의 일반적인 바이폴라 플레이트 두께가 선택되었다.

그림 6 : 양극판 제조 공정

4. 단일 셀 및 전해저 어셈블리

개별 구성 요소가 제조되면 구성 요소를 전해기 및 스택에 조립하고 통합해야합니다 (아래 그림 7 참조). 첫째, 개별 전해저가 조립됩니다. 이어서, 개별 세포를 쌓고 함께 압축하여 전해저 스택을 형성한다.

조립 된 셀을 형성하기 위해, 스크린 인쇄 개스킷 또는 프레임 필름 (개스킷)이 양극성 플레이트에 적용되고, 막 전극 어셈블리 (CCM, PTL 및 GDL 포함)를 양극판에 첨가한다. 어셈블리가 경화되어 스택의 다른 조립 된 전해저에 추가됩니다. 스택이 완전히 조립되면 하드웨어 (엔드 플레이트, 타이로드 등)가 추가되어 셀을 압축하고 보호합니다.

그림 7 : 전해저 어셈블리 공정

스택 어셈블리 모델은 생산량 규모에 따라 여러 층의 자동화를 고려합니다. 생산량이 낮은 경우, 어셈블리 프로세스는 완전히 수동이며, 단일 작업자는 각 조립 공정을 수행하고 각 단계에서 스택 조립을 감독합니다. 수동 어셈블리는 더 많은 작업자가 필요하며 자동화 된 프로세스보다 느리게 실행됩니다.