Khi ngành công nghiệp hydro xanh toàn cầu hướng tới hoạt động công nghiệp có quy mô-lớn,-dòng điện-cao và chu trình dài-, độ ổn định và tuổi thọ sử dụng của các bộ phận cốt lõi bên trong máy điện phân PEM (Màng trao đổi Proton) đã trở thành những yếu tố chính quyết định chi phí vận hành dự án và độ tin cậy của ngăn xếp. Trong số tất cả các thành phần chức năng và tiêu hao, Lớp vận chuyển xốp (PTL) rất quan trọng đối với việc thu thập dòng điện anốt, truyền khối chất lỏng-khí, loại bỏ bong bóng và hỗ trợ cơ học MEA. Các tấm titan xốp được platin hóa đã dần thay thế các tấm titan thiêu kết thông thường và các lớp khuếch tán dựa trên carbon-, trở thành vật liệu PTL có độ tin cậy cao-chủ đạo cho các máy điện phân nước PEM thương mại.
Hạn chế của PTL Titan xốp trần trong điều kiện làm việc cực dương PEM
Các tấm titan nguyên chất thiêu kết có cấu trúc lỗ rỗng có thể kiểm soát được, độ bền cơ học cao và khả năng kháng axit tuyệt vời, khiến chúng trở thành chất nền PTL lý tưởng cho quá trình điện phân PEM. Tuy nhiên, cực dương PEM hoạt động trong các điều kiện điện hóa khắc nghiệt, bao gồm thế anốt cao, môi trường proton có tính axit mạnh và phản ứng tiến hóa oxy liên tục (OER). Trong điều kiện hoạt động với mật độ dòng điện-cao trong thời gian dài từ 1,5 A/cm² đến 2,5 A/cm², bề mặt titan không tráng phủ sẽ tự động tạo ra các lớp thụ động TiO₂ dày đặc và cách điện.
Lớp oxit này không thể được loại bỏ thông qua hoạt động thông thường hoặc xả nước. Nó tăng đều đặn điện trở tiếp xúc giữa các bề mặt, chặn các kênh vi-lỗ chân lông, làm hỏng tính đồng nhất của sự khuếch tán chất lỏng khí- và cuối cùng làm tăng điện áp tế bào, giảm hiệu quả sản xuất hydro và tăng tốc độ suy giảm hiệu suất của ngăn xếp. Sự suy giảm quá trình oxy hóa PTL titan thô được coi là rào cản kỹ thuật dai dẳng hạn chế thời gian chạy điện phân kéo dài, đặc biệt đối với các cơ sở hydro xanh thương mại được thiết kế để sản xuất liên tục suốt ngày đêm.
Lớp phủ Platin hóa giải quyết quá trình oxy hóa PTL và suy giảm hiệu suất như thế nào?
Bạch kim có tính trơ điện hóa vượt trội và độ dẫn điện cao, không bị oxy hóa, hòa tan hoặc thụ động trong điều kiện giàu oxy-điện thế anốt cao PEM. Titan xốp platin hóa công nghiệp PTL áp dụng công nghệ lắng đọng bạch kim ở quy mô chính xác, tạo thành lớp bảo vệ bạch kim liên tục, đồng nhất và có độ bám dính cao-, bao phủ cả bề mặt bên ngoài và thành lỗ rỗng bên trong của nền titan thiêu kết.
Cấu trúc được sửa đổi này mang lại hai cải tiến chức năng cốt lõi. Đầu tiên, lớp bạch kim cách ly vật lý ma trận titan khỏi môi trường làm việc oxy hóa và điện phân axit, ức chế cơ bản sự hình thành màng thụ động oxit titan cách điện và duy trì điện trở bề mặt thấp ổn định trong suốt thời gian sử dụng. Thứ hai, lớp phủ bạch kim cung cấp hoạt tính xúc tác phụ trợ cho phản ứng tạo oxy, tối ưu hóa các đặc tính điện hóa bề mặt và giảm hiệu quả tổn thất ohmic của ống khói trong quá trình vận hành-tải cao.
Lớp phủ này đảm bảo bao phủ toàn bộ khả năng chống-oxy hóa mà không chặn các lỗ nhỏ, giữ lại hoàn toàn độ xốp cao ban đầu và khả năng thấm chất lỏng-khí cần thiết để truyền khối điện phân hiệu quả.
Ưu điểm ứng dụng cốt lõi trong máy điện phân PEM công nghiệp
1. Tính ổn định lâu dài{1}}chống oxy hóa{2}}xuất sắc
Tấm titan xốp được platin hóa chống lại quá trình oxy hóa điện hóa và ăn mòn axit trong điều kiện làm việc OER liên tục. Quá trình lão hóa theo chu trình-tăng tốc công nghiệp xác minh rằng các lớp vận chuyển titan xốp được xử lý bằng bạch kim-có khả năng duy trì độ dẫn điện ổn định và cấu trúc lỗ rỗng hoàn toàn không bị cản trở với mức giảm hiệu suất không đáng kể, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các môi trường sản xuất hydro công nghiệp có chu trình{3}}kéo dài.
2. Cải thiện hiệu suất điện phân và tiêu thụ năng lượng thấp hơn
Bằng cách loại bỏ hiện tượng trôi điện trở giao diện do quá trình thụ động hóa titan gây ra, PTL được platin hóa sẽ ổn định điện áp di động trong điều kiện hoạt động với mật độ dòng điện cao. Lớp dẫn điện bạch kim đồng nhất đảm bảo phân phối dòng điện ổn định, tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ và vùng phản ứng kém hiệu quả, đồng thời giảm hiệu quả mức tiêu thụ điện năng tổng thể trên mỗi mét khối hydro xanh.
3. Tuổi thọ dịch vụ ngăn xếp và PTL kéo dài
So với PTL titan thiêu kết trần, các sản phẩm biến đổi-bạch kim tăng tuổi thọ sử dụng của bộ phận lên hơn 60%. Chúng giúp giảm đáng kể tần suất bảo trì tắt máy điện phân, thay thế bộ phận cốt lõi và đại tu ống khói, giảm đáng kể chi phí vận hành và bảo trì toàn diện của các dự án hydro xanh thương mại.
4. Khả năng tương thích cơ học và kết cấu vượt trội
Nền titan nền mang lại độ dẻo cơ học mạnh mẽ và khả năng chịu nén vượt trội, trong khi lớp mạ bạch kim được kết dính chắc chắn chống bong tróc và phá vỡ cấu trúc trong bối cảnh xói mòn kéo dài do bọt khí phát triển và nước xử lý tuần hoàn. Nó hoàn toàn phù hợp với các thiết bị điện phân PEM áp suất-cao và thiết bị tùy chỉnh mật độ-dòng điện-cao.
Phần kết luận
Sự thụ động oxy hóa của PTL titan xốp truyền thống là một khiếm khuyết kỹ thuật không thể tránh khỏi trong quá trình điện phân PEM tải-cao. Việc sửa đổi lớp phủ bạch kim về cơ bản giải quyết được vấn đề lão hóa và hư hỏng của chất nền titan trong điều kiện làm việc cực anốt. Với hiệu suất chống-oxy hóa ổn định, độ dẫn điện hóa ổn định và lợi thế về tuổi thọ lâu dài, các tấm titan xốp được platin hóa cải thiện hiệu quả độ tin cậy vận hành của máy điện phân PEM và giảm toàn bộ-chi phí chu trình sản xuất hydro xanh. Khi ngành sản xuất hydro PEM tiếp tục nâng cấp theo hướng hiệu quả cao và tuổi thọ cao, PTL titan xốp được platin hóa sẽ trở thành thành phần tiêu chuẩn phổ biến cho các ngăn xếp máy điện phân hiệu suất cao.
Hiện tại, các tấm titan xốp được platin hóa là cấu hình tiêu chuẩn cho-thiết bị điện phân PEM thương mại cao cấp. Chúng được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy điện hydro xanh quy mô GW-, các máy điện phân PEM áp suất cao-công nghiệp, các hệ thống sản xuất hydro năng lượng mới không nối lưới và các nền tảng thử nghiệm điện phân mật độ-dòng điện{6}}cao trong phòng thí nghiệm. PTL titan platin hóa đại diện cho lựa chọn vật liệu có hiệu quả kinh tế và đã được chứng minh về mặt kỹ thuật nhất cho các hệ thống sản xuất hydro yêu cầu thời gian chạy không bị gián đoạn, hiệu suất điện hóa ổn định và suy giảm hiệu suất ở mức tối thiểu trong suốt thời gian vận hành.
