همانطور که صنعت هیدروژن سبز جهانی به سمت عملیات صنعتی-در مقیاس بزرگ،-جریان-بالا- و چرخه طولانی{3} حرکت میکند، پایداری و عمر مفید اجزای اصلی در الکترولیزهای PEM (غشاء تبادل پروتون) به عوامل کلیدی تعیینکننده هزینههای عملیاتی پروژه و قابلیت اطمینان پشته تبدیل شدهاند. در میان تمام اجزای مصرفی و کاربردی، لایه حمل و نقل متخلخل (PTL) برای جمع آوری جریان آندی، انتقال جرم مایع{5} گاز، حذف حباب و پشتیبانی مکانیکی MEA حیاتی است. صفحات تیتانیوم متخلخل پلاتینه شده به تدریج جایگزین صفحات تیتانیوم متخلخل معمولی و لایههای انتشار مبتنی بر کربن- شدهاند و تبدیل به جریان اصلی مواد PTL با قابلیت اطمینان بالا برای الکترولیزهای تجاری آب PEM شدهاند.
محدودیتهای تیتانیوم متخلخل لخت PTL در شرایط کاری آند PEM
صفحات تیتانیوم خالص متخلخل دارای ساختار منافذ قابل کنترل، استحکام مکانیکی بالا و مقاومت اسیدی عالی هستند که آنها را به بسترهای PTL ایده آل برای الکترولیز PEM تبدیل می کند. با این حال، آند PEM تحت شرایط الکتروشیمیایی شدید، از جمله پتانسیل آندی بالا، محیط پروتون اسیدی قوی، و واکنش تکامل مداوم اکسیژن (OER) عمل می کند. سطح تیتانیوم بدون پوشش تحت عملیات چگالی طولانی مدت{3}}جریان بالا-از 1.5 A/cm² تا 2.5 A/cm²، به طور خود به خود لایههای غیرفعال TiO2 متراکم و عایق ایجاد میکند.
این لایه اکسیدی را نمی توان از طریق عملیات معمولی یا شستشوی آب از بین برد. به طور پیوسته مقاومت تماس سطحی را افزایش میدهد، کانالهای میکرو-منافذ را مسدود میکند، به یکنواختی انتشار گاز-مایع آسیب میرساند و در نهایت باعث افزایش ولتاژ سلول، کاهش راندمان تولید هیدروژن و تسریع کاهش عملکرد پشته میشود. تخریب اکسیداسیون PTL تیتانیوم خام به عنوان یک مانع فنی پایدار است که زمان کار طولانی الکترولیز را محدود می کند، به ویژه برای تأسیسات تجاری هیدروژن سبز که برای تولید بی وقفه--ساعتی طراحی شده است.
چگونه پوشش پلاتینه اکسیداسیون PTL و تخریب عملکرد را حل می کند؟
پلاتین دارای بی اثری الکتروشیمیایی عالی و رسانایی بالا است و هیچ اکسیداسیون، انحلال یا غیرفعال شدن را تحت شرایط آندی-بالا-و اکسیژن{1}} نشان نمیدهد. تیتانیوم متخلخل پلاتینه صنعتی PTL از فناوری رسوب پلاتین در مقیاس دقیق استفاده می کند و یک لایه محافظ پلاتین پیوسته، یکنواخت و با چسبندگی بالا تشکیل می دهد که هم سطح بیرونی و هم دیواره های منافذ داخلی زیرلایه تیتانیوم متخلخل را می پوشاند.
این ساختار اصلاح شده دو پیشرفت عملکردی اصلی را به همراه دارد. ابتدا، لایه پلاتین به طور فیزیکی ماتریس تیتانیوم را از الکترولیت اسیدی و محیطهای کاری اکسیداتیو جدا میکند، و اساساً از تشکیل فیلمهای غیرفعال اکسید تیتانیوم عایق جلوگیری میکند و مقاومت سطحی پایین را در طول عمر مفید حفظ میکند. دوم، پوشش پلاتین فعالیت کاتالیزوری کمکی را برای واکنش تکامل اکسیژن، بهینهسازی ویژگیهای الکتروشیمیایی سطح و کاهش موثر اتلاف اهمی پشته در طول عملیات بارگذاری بالا، فراهم میکند.
این پوشش پوشش ضد اکسیداسیون کامل را بدون مسدود کردن ریز منافذ تضمین میکند و به طور کامل تخلخل بالا و نفوذپذیری گاز{1}}مایع مورد نیاز برای انتقال جرم الکترولیز کارآمد را حفظ میکند.
مزایای اصلی کاربرد در الکترولیزهای PEM صنعتی
1. پایداری عالی طولانی مدت ضد اکسیداسیون-
صفحات تیتانیوم متخلخل پلاتینه شده در برابر اکسیداسیون الکتروشیمیایی و خوردگی اسیدی تحت شرایط کار مداوم OER مقاومت می کنند. پیری چرخه تسریعشده صنعتی تأیید میکند که لایههای انتقال تیتانیوم متخلخل تیمار شده با پلاتین، هدایت الکتریکی ثابت و معماری منفذی کاملاً بدون مانع را با افت عملکرد ناچیز حفظ میکنند، و آنها را برای محیطهای تولید هیدروژن صنعتی با چرخه طولانی{{3} ایدهآل میسازد.
2. بهبود راندمان الکترولیز و مصرف انرژی کمتر
با حذف رانش مقاومت رابط ناشی از غیرفعال سازی تیتانیوم، PTL های پلاتینه شده ولتاژ سلول را تحت عملیات چگالی جریان بالا تثبیت می کنند. لایه رسانای پلاتین یکنواخت توزیع جریان ثابت را تضمین می کند، از گرمای بیش از حد موضعی و مناطق واکنش ناکارآمد جلوگیری می کند و به طور موثر مصرف برق کلی در هر متر مکعب هیدروژن سبز را کاهش می دهد.
3. افزایش عمر سرویس PTL و Stack
در مقایسه با PTLهای تیتانیوم متخلخل، محصولات اصلاح شده پلاتین{0}} عمر مفید قطعه را بیش از 60٪ افزایش می دهند. آنها فرکانس تعمیر و نگهداری خاموش شدن الکترولیز، جایگزینی اجزای هسته و تعمیرات اساسی پشته را تا حد زیادی کاهش می دهند، و به طور قابل توجهی هزینه عملیات جامع و تعمیر و نگهداری پروژه های تجاری هیدروژن سبز را کاهش می دهند.
4. سازگاری مکانیکی و سازه ای برتر
ماتریس تیتانیوم پایه شکلپذیری مکانیکی قوی و مقاومت در برابر فشار فوقالعاده ارائه میکند، در حالی که آبکاری پلاتین محکم چسبیده در برابر پوسته پوسته شدن و خرابی ساختاری در میان فرسایش طولانیمدت ناشی از تکامل حبابهای گاز و آب فرآیند در گردش مقاومت میکند. کاملاً با پشتههای الکترولایزر PEM فشار بالا و تجهیزات سفارشیشده با چگالی بالا-تطابق دارد.
نتیجه گیری
غیرفعالسازی اکسیداسیون PTLهای تیتانیوم متخلخل سنتی یک نقص فنی اجتنابناپذیر در الکترولیز PEM با بار بالا-است. اصلاح پوشش پلاتین اساساً مشکل پیری و خرابی بسترهای تیتانیوم را در شرایط کاری شدید آندی حل می کند. صفحات تیتانیوم متخلخل پلاتینه شده با عملکرد ضد اکسیداسیون پایدار، هدایت الکتروشیمیایی پایدار، و مزایای عمر طولانی، به طور موثر قابلیت اطمینان عملیات الکترولیزهای PEM را بهبود می بخشند و هزینه چرخه کامل تولید هیدروژن سبز را کاهش می دهند. همانطور که صنعت تولید هیدروژن PEM به ارتقاء به سمت راندمان بالا و عمر طولانی ادامه میدهد، PTLهای تیتانیوم متخلخل پلاتینه شده به یک جزء استاندارد جهانی برای پشتههای الکترولیز با کارایی بالا تبدیل میشوند.
در حال حاضر، صفحات تیتانیوم متخلخل پلاتینه شده، پیکربندی استانداردی برای تجهیزات الکترولیز تجاری PEM{0}بالا هستند. آنها به طور گسترده در ایستگاههای برق هیدروژن سبز در مقیاس GW، پشتههای الکترولیز PEM صنعتی با فشار بالا، سیستمهای تولید هیدروژن انرژی جدید خاموش-شبکه، و پلتفرمهای آزمایش الکترولیز با چگالی بالا-جریان آزمایشگاهی استفاده میشوند. PTLهای تیتانیوم پلاتینه شده نشاندهنده اثباتشدهترین و مقرون به صرفهترین گزینه مواد برای سیستمهای تولید هیدروژن هستند که نیازمند زمان اجرا بدون وقفه، عملکرد الکتروشیمیایی ثابت و حداقل کاهش بازده در طول عمر عملیاتی هستند.
