Verstehen der Komponenten eines PEM-Elektrolyseurs und ihrer Funktionen

Protonenaustauschmembran (PEM) Elektrolyseure gewinnen an Beliebtheit aufgrund ihrer Effizienz bei der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse. In diesem Artikel werden wir die Hauptkomponenten eines PEM-Elektrolyseurs untersuchen, einschließlich der Kompressionsplatte, der Bipolarplatten, der Gasdiffusionsschicht, der Anoden- und Kathodenprozesse sowie der Membranelektrodenanordnung. Wir haben einen PEM-Elektrolyseur zerlegt. Durch das Verständnis der Materialien und Funktionen dieser Komponenten können Sie Ihr Wissen über diese Spitzentechnologie und ihre Rolle in der sauberen Energielandschaft vertiefen.

Kompressionsplatte

Die Kompressionsplatte besteht aus Aluminiumlegierung und wird zur Befestigung der gesamten Elektrolysezelle verwendet.

Bipolarplatten (BPP)

Bipolarplatten (BPP) sind flache Trennplatten (entweder mit Metallgitter oder Sieblaminierung oder mit geätzten Strömungskanälen dicken Metallseparatoren), die verwendet werden, um die Spannung der Stromversorgung durch Stapeln mehrerer Elektrolysezellen in Serie anzupassen. Sie trennen benachbarte Einheiten und verbinden sie elektronisch. Sie müssen einen niedrigen Widerstand und eine hohe mechanische und chemische Stabilität, eine Flüssigkeitsverteilung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, da sie auch den Wärmetransfer fördern.

Titan wird allgemein als das fortschrittlichste Material angesehen, da es eine hervorragende Festigkeit, niedrige Widerstandsfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige Wasserstoffdurchlässigkeit aufweist. Titan ist jedoch korrosionsanfällig, insbesondere auf der Anodenseite, wo die Potenziale 2V überschreiten können, was zur Ansammlung von Oberflächenoxiden führt, die den Kontaktwiderstand erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit verringern. Um dies zu vermeiden, kann eine dünne Platinbeschichtung aufgebracht werden, um den Oberflächenwiderstand zu reduzieren.

Gasdiffusionsschicht (GDL)

Die Gasdiffusionsschicht oder auch als Stromsammler GDL oder PTL bezeichnet, fungiert als elektronischer Leiter zwischen der MEA und der BPP und sorgt für einen effizienten Massenübergang von Flüssigkeiten und Gasen zwischen den Elektroden und der BPP.

An der Anode transportiert das flüssige Wasser von den Kanälen der BPP zur Katalysatorschicht auf der Membran durch den Stromsammler, wo das Wasser in Sauerstoff und Protonen zerlegt wird. Der hier erzeugte Sauerstoff diffundiert in die entgegengesetzte Richtung durch den Stromsammler in die Strömungskanäle.

An der Kathode werden flüssiges Wasser und Wasserstoff von der Membran zu den Kanälen der BPP durch den Stromsammler transportiert. Elektronen beginnen von der Katalysatorschicht auf der Anodenseite, passieren den Stromsammler und die BPP und erreichen dann die Kathodenseite. In PEM-Elektrolyseuren ist das Anodenpotenzial hoch genug, um Kohlenstoffmaterialien zu oxidieren, und es müssen andere Materialien verwendet werden. Titan ist oft eine Wahl für Stromsammler an der Anode. 

Membranelektrodenanordnung (MEA)

Die MEA besteht aus einer protonenleitenden Membran, die auf beiden Seiten mit porösen Elektrokatalysatorschichten beschichtet ist, die das Kernstück des Elektrolyseurs bilden, wo Wasser durch elektrischen Strom in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. An der Anode wird Wasser in Sauerstoff und Protonen oxidiert. Die hydratisierten Protonen wandern dann zur Kathode. Elektronen fließen durch den externen Stromkreis zur Kathode.

An der Kathode gewinnen Protonen Elektronen und werden zu Wasserstoffgas reduziert. Iridiumoxid wird allgemein als der fortschrittlichste Katalysator in der PEM-Wasserelektrolyse angesehen. Unter den einzelnen Übergangsmetalloxiden hat RuO2 die höchste OER-Aktivität, ist jedoch unter Elektrolysebedingungen nicht stabil. IrO2 hat eine etwas geringere Aktivität als RuO2, bietet jedoch den Vorteil einer höheren Korrosionsbeständigkeit.