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PEM電解水單電池的制作

 更新時(shí)間:2024-05-31    點(diǎn)擊量:842
1、膜電極的制作


1.1、膜的預(yù)處理


Nafion-117是一種來自美國(guó)杜邦公司的全氟磺酸聚合物,因其優(yōu)異的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性以及高質(zhì)子導(dǎo)電性而被廣泛選擇作為水電解中的質(zhì)子導(dǎo)電膜。在使用前,膜經(jīng)過全面的凈化過程:首先,將其在3%的過氧化氫中煮沸去除有機(jī)雜質(zhì),然后用蒸餾水(純凈水)沖洗。然后在1mol 硫酸中煮沸以去除任何金屬雜質(zhì),并將膜轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子化(H+)狀態(tài)。最后的清洗步驟是在蒸餾水中煮沸,以確保清潔干凈。

1.2膜和電極組件(MEA)的制備


催化劑涂層膜(CCM)制造催化劑油墨配方:在質(zhì)子交換膜上應(yīng)用陽極和陰極催化劑層有多種工藝技術(shù),對(duì)于較小的表面膜電極組件(MEAs),噴涂是好方法。對(duì)于較大型的 MEA(通常為數(shù)百平方厘米或更多),刮刀涂布或絲網(wǎng)印刷因其效率、一致性和涂層的均勻性而受到青睞?;趯?duì)墨水配方的廣泛研究,我們選擇了一種墨水組合,其陽極負(fù)載為3 mg/cm2的Pt/Ru/IrO2 (Duralyst®)的商業(yè)電催化劑混合物,陰極負(fù)載為類似的PtB (Duralyst®),以促進(jìn)氫的析出。Pt-Ru-IrO2 合金作為鉑的陽極電催化劑,其穩(wěn)定性和功效已得到認(rèn)可。由于鉑具有優(yōu)異的水電解性能,因此仍然是陰極的好選。
這些催化劑與 Nafion® 離子膜(在水和乙醇中的含量為 5 wt.%,杜邦 D520)一起被精確稱重,并以 1:1 的體積比超聲分散在去離子水和異丙醇的混合物中。電催化層的組成包括陽極10 wt.%的離子聚合物和陰極 15 wt.%的離子聚合物,其負(fù)載由下式確定。


陽極和陰極催化劑的重量由式給出:


PEM電解水單電池的制作
離子單體在油墨配方中的重量百分比由:
PEM電解水單電池的制作
混合后,油墨進(jìn)行高剪切攪拌混合。然后使用連接到空氣壓縮機(jī)的噴槍將陽極催化劑墨水噴涂在預(yù)制備的尺寸的Nafion膜的一側(cè),并使其干燥。
陰極油墨以類似的方式應(yīng)用于反面。按照這些步驟,PEM電解槽與MEA組裝在一起,具有預(yù)制備的活性面積。


2、PEMWE單電池組裝和活化


圖1a所示,PEM水電解槽的組裝涉及仔細(xì)選擇墊圈及其厚度,以消除運(yùn)行過程中任何潛在可能的氣體和水泄漏。MEA由兩個(gè)聚四氟乙烯墊圈封閉,每個(gè)厚度為0.22mm ,位于精密加工的鈦級(jí)單極板之間。為了確保最佳組裝,使用數(shù)字千分尺在九個(gè)均勻間隔的點(diǎn)測(cè)量催化劑涂層膜(CCM)的厚度,這些測(cè)量的平均值選擇襯墊厚度,如圖1b所示。
PEM電解水單電池的制作
圖1:PEM部件結(jié)構(gòu)示意


說明:

Gasket thickness:邊框膜厚度

Height of the flow channel rib:流道凸起高度

Difference in thickness after compression:壓縮后的厚度差異

Electrode thickness along with membrane:沿著膜的電極厚度

a、計(jì)算基于pem的單電池水電解槽襯墊厚度的概念表示;


b、俯視圖為構(gòu)建PEM水電解槽單個(gè)電解槽的施工順序:(1)水,氣體入口和出口端口,(2)擰緊電解槽的螺桿,(3,9)陰極和陽極板,(4,8)陰極和陽極墊片,(5,7)陰極和陽極集流器,(6)膜電極組件
在PEM水電解槽(PEMWEs)中,管理水流對(duì)效率至關(guān)重要。水被引導(dǎo)通過電解槽的流場(chǎng),以確保在陽極的活性表面上均勻分布。然而,在電解過程中,水被消耗,并以每摩爾水半摩爾的速度被氧氣取代,這種消耗帶來了各種挑戰(zhàn)。這些問題包括,當(dāng)水耗盡時(shí),流速降低,導(dǎo)致反應(yīng)物輸送不一致,并可能被陽極的氧氣氣泡堵塞,從而導(dǎo)致電池內(nèi)電流分布不均勻。
選擇合適的流場(chǎng)模式對(duì)電解槽的性能至關(guān)重要。陽極側(cè)的交錯(cuò)模式往往由于水分布不均勻而導(dǎo)致性能不佳,從而導(dǎo)致電解電壓升高。相反,蛇形流場(chǎng)模式優(yōu)于平行流場(chǎng)模式,PEMWEs中的蛇形流場(chǎng)模式和交叉流場(chǎng)模式都比平行流場(chǎng)模式表現(xiàn)出更高的效率。
在我們的研究中,我們?cè)陉枠O和陰極的鈦板上選擇了級(jí)聯(lián)流場(chǎng)布局,確保了均勻的水流過陽極,從而導(dǎo)致更平衡的電流密度,提高了電解槽的整體效率。
下圖2顯示了所采用的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸和面積,通道寬度和深度為1mm,擋板之間由0.5 mm的凹槽隔開。實(shí)驗(yàn)中,電解池及其流動(dòng)模式是垂直設(shè)置的,由于垂直流場(chǎng)的方向,有助于通過浮力排出氣體。
PEM電解水單電池的制作
圖2:PEM水電解槽部件三維視圖示意圖;插圖描繪了流場(chǎng)模式和膜電極組裝的示意圖
來自瑞典Applied多孔技術(shù)公司的多孔鍍鉑鈦氈在兩個(gè)隔間中充當(dāng)氣體擴(kuò)散層。這種由燒結(jié)粉末制成的 1 毫米厚的鈦絨在兩塊鋁夾板之間的裝配中發(fā)揮了作用,兩塊鋁夾板(端板)由 12 對(duì)螺母和螺栓(螺桿)以 8 牛米的扭矩固定,構(gòu)成了 PEMWE 電池的固定框架。


在測(cè)試過程中遇到開路或短路問題時(shí),電池裝配的調(diào)整(包括墊片厚度和螺釘扭矩)至關(guān)重要,這些問題通常是由于電池內(nèi)部壓力不均勻造成的。扭矩扳手可確保以精確的扭矩?cái)Q緊螺釘,同時(shí)調(diào)整墊片的尺寸和數(shù)量,以保持氣體擴(kuò)散層(GDL)壓力均勻。電解槽的設(shè)計(jì)包括加熱、溫度控制以及用于引入反應(yīng)物和去除產(chǎn)物的端口。為達(dá)到峰值和穩(wěn)定的性能,必須進(jìn)行活化處理,包括將去離子水在電解槽中循環(huán) 20 至 30 分鐘,以適當(dāng)濕潤(rùn)電解質(zhì)膜。

來源:氫眼所見

注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)



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