Мембранный электрод в сборе
Мембранно -электродный узел ( МЭА ) представляет собой собранную стопку протонообменных мембран (ПЭМ) или щелочно-анионообменной мембраны (ААЕМ), катализатора и плоского пластинчатого электрода, используемого в топливных элементах и электролизерах . [1] [2]
МОЙ ПЕМ
[ редактировать ]
PEM зажат между двумя электродами , в которые встроен катализатор. Электроды электрически изолированы друг от друга с помощью ПОМ. Эти два электрода составляют анод и катод соответственно.
PEM обычно представляет собой барьер из фторполимера (PFSA) проницаемый для протонов электрический изоляционный . В настоящее время разрабатываются варианты углеводородов, которые, как ожидается, придут на смену фторполимерам. Этот барьер позволяет транспортировать протоны от анода к катоду через мембрану, но заставляет электроны перемещаться по проводящему пути к катоду. Наиболее часто используемые Nafion PEM — это Nafion XL, 112, 115, 117 и 1110.
Электроды подвергаются термическому прессованию на PEM. Обычно для изготовления этих электродов используются углеродная ткань или бумага из углеродного волокна. [3] NuVant производит углеродную ткань под названием ELAT, которая максимизирует транспорт газа к PEM, а также отводит водяной пар от PEM. Внедрение ELAT в катализатор из благородного металла позволяет этой углеродной ткани также выступать в качестве электрода. Существует также множество других различных методов и процедур производства МЭА, которые очень похожи между топливными элементами и электролизерами . [1]
Платина является одним из наиболее часто используемых катализаторов, однако платиновой группы также используются и другие металлы . Рутений и платина часто используются вместе, если окись углерода (CO) является продуктом электрохимической реакции , поскольку CO отравляет PEM и влияет на эффективность топливного элемента. Из-за высокой стоимости этих и других подобных материалов проводятся исследования по разработке катализаторов, в которых используются более дешевые материалы, поскольку высокая стоимость по-прежнему является сдерживающим фактором для широкого экономического признания технологии топливных элементов.
Текущий срок службы составляет 7300 часов в условиях циклирования при одновременном снижении содержания металлов платиновой группы до 0,2 мг/см2. [4]
Производство
[ редактировать ]В настоящее время большинство компаний, производящих МПС, специализируются исключительно на крупносерийном производстве, например, WL Gore & Associates , Johnson Matthey и 3M . Однако есть и другие компании, которые производят МЭА, позволяющие также оценивать различные формы, катализаторы или мембраны, в том числе Fuel Cell Store, FuelCellsEtc и многие другие.
Обзор рынка
[ редактировать ]Мировой рынок мембранно-электродных сборок (MEA) оценивается в 672 миллиона долларов США в 2023 году и, по прогнозам, достигнет 3853 миллионов долларов США к 2030 году, при этом среднегодовой темп роста составит 28,2% в течение прогнозируемого периода 2024-2030 годов. [5] .
Сегментация рынка
[ редактировать ]По типу
[ редактировать ]- 5-слойный МЭБ : 5-слойный МЭБ является наиболее широко используемым типом благодаря сочетанию производительности и экономической эффективности. Обычно он состоит из анода , катода и двух ионообменных мембран . Такая конфигурация обеспечивает эффективную проводимость протонов и эффективную диффузию газа, что делает ее подходящей для различных применений, включая автомобили на топливных элементах и портативные энергосистемы. Исследования показали, что 5-слойные МЭА могут обеспечить улучшенные характеристики в различных условиях эксплуатации, что делает их предпочтительным выбором в отрасли.
- 7-слойный МЭА: 7-слойный МЭА включает в себя дополнительные слои, повышающие производительность и долговечность. Эта конструкция обычно включает в себя дополнительные слои катализатора и мембраны, которые могут повысить общую эффективность топливного элемента . Эти MEA часто используются в высокопроизводительных приложениях, где максимальная выходная мощность и долговечность имеют решающее значение. Исследования показывают, что 7-слойная конфигурация может обеспечить более высокую плотность тока и меньшую скорость деградации по сравнению с более простыми конструкциями, что делает их подходящими для требовательных сред, таких как тяжелый транспорт и стационарная энергетика.
- 3-слойный MEA : 3-слойный MEA в основном используется в приложениях, где снижение затрат является приоритетом. Хотя этот тип может не обеспечивать тот же уровень производительности, что и 5- или 7-слойные конфигурации, он все же может быть эффективен для конкретных приложений с низким энергопотреблением. Эта конструкция обычно включает меньше слоев катализатора и больше подходит для небольших устройств или приложений, где вес и стоимость являются важными факторами.
По применению
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]- Электрохимический водородный компрессор
- Электроосмотический насос
- Газодиффузионный электрод
- Глоссарий терминов топливных элементов
- Микроэлектродная матрица
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Кармо, М; Фриц Д; Мергель Дж; Столтен Д. (2013). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. Бибкод : 2013IJHE...38.4901C . doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151 .
- ^ Бентам, Дэниел, патент ВОИС WO/2008/007108 Система распределения тока для электрохимических элементов . Freepatentsonline.com (17 января 2008 г.). Проверено 19 апреля 2013 г.
- ^ Ге, Цзябин; Хигер, Эндрю; Лю, Хунтан (2006). «Влияние сжатия газодиффузионного слоя на работу топливного элемента PEM». Журнал источников энергии . 159 (2): 922. Бибкод : 2006JPS...159..922G . дои : 10.1016/j.jpowsour.2005.11.069 .
- ^ Школьные автобусы на топливных элементах: отчет Конгрессу . Министерство энергетики США, декабрь 2008 г., стр. 9.
- ^ «Объем рынка мембранно-электродных сборок (MEA) и прогноз до 2032 года» . ПрагмаМаркетИсследование . Проверено 29 июля 2024 г.