Особенно популярный в Европе, PEMEL отличается высокой энергоэффективностью и совместимостью с возобновляемыми источниками энергии с переменной выработкой.
Электролизер с протонообменной мембраной (PEM) использует многие материалы и компоненты, общие с топливным элементом с протонообменной мембраной (PEMFC), и во многом выигрывает от достижений в секторе топливных элементов. Технология PEMFC, инициированная НАСА, значительно развилась, в результате чего как электролизер с протонообменной мембраной (PEMEL), так и топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC) стали относительно хорошо зарекомендовавшими себя технологиями. Однако они по-прежнему сталкиваются с многочисленными проблемами.
Быстрорастущий рынок экологически чистого водорода стимулирует спрос на электролизерные системы, что, в свою очередь, порождает спрос на электролизерные материалы и компоненты. Этот бум предоставляет значительные возможности поставщикам материалов и компонентов, а также различным участникам отрасли, для извлечения выгоды из этого роста, внедрения инноваций и выпуска новых продуктов.
Упрощенная схема компонентов электролизерной ячейки с протонно-обменной мембраной (PEMEL). Источник: IDTechEx
Протонно-обменная мембрана (ПЭМ)
Протонно-обменная мембрана (ПЭМ) является основой электролизера и расположена между катодом и анодом. ПЭМ облегчают перенос протонов (ионов H+) от анода к катоду. Они также обеспечивают электрическую изоляцию между электродами и гарантируют раздельное протекание реакций выделения водорода и кислорода, что приводит к получению водорода высокой чистоты и предотвращает смешивание газов, особенно водорода и кислорода.
Мембраны изготавливаются из перфторированных сульфоновых кислот (PFSA) иономеров. Nafion, торговая марка Chemours (первоначально разработанная DuPont), является наиболее известным и широко используемым материалом в PEMEL и PEMFC. На рынке доминируют такие известные компании, как Chemours и WL Gore & Associates. Однако эти компании продолжают внедрять инновации в свою продукцию для достижения лучших результатов.
Основная проблема при усовершенствовании протонно-обменных мембран (ПЭМ) заключается в балансе между производительностью, безопасностью и долговечностью. Это связано с тем, что для повышения производительности требуются более тонкие мембраны для улучшения проводимости; однако это приводит к большему перекрестному загрязнению водородом и кислородом и более быстрой деградации мембраны. Распространенным методом решения этой проблемы, используемым в отрасли, является применение армирующего слоя, такого как вспененный политетрафторэтилен (ПТФЭ), поверх которого наносится иономер PFSA.
Решение проблем, связанных с улучшением характеристик мембран с помощью новых композитных материалов, станет ключевым фактором развития технологии. Несмотря на эти проблемы, мембраны из ПФСА останутся доминирующим материалом из-за отсутствия подходящих, легкодоступных альтернатив. Следовательно, существует значительный рынок для этих мембран в электролизерной и топливной промышленности.
Катализаторы из металлов платиновой группы и мембрана с каталитическим покрытием (CCM)
Платина (Pt) и иридий (Ir) катализируют электрохимические реакции выделения водорода и кислорода, происходящие в электролизере, соответственно. В качестве материалов последнего поколения используются платина, нанесенная на технический углерод (Pt/C), в качестве катода и иридиевая сажа (Ir) или оксид иридия (IrOx) в качестве анода.
Катализаторы смешиваются с иономерными смолами PFSA в виде чернил, которые затем наносятся на мембрану, образуя мембрану с каталитическим покрытием (CCM). Производство CCM является ключевым направлением исследований, поскольку производительность электролизера в значительной степени зависит от его свойств. Важнейшим аспектом является разработка эффективных непрерывных рулонных процессов для производства CCM, которые могут обеспечить стабильную производительность, минимальные потери каталитических чернил и высокоавтоматизированное крупномасштабное производство.
Наиболее важной задачей исследований является снижение содержания иридия на анодах. Текущее содержание иридия в электролизерах с протонно-обменной мембраной (PEM) составляет от 1 до 2,5 г/кВт, что является проблематичным, поскольку будущий спрос на это оборудование может оказать значительное давление на мировые запасы иридия. Для решения этой проблемы производители катализаторов, такие как Heraeus Precious Metals, внедряют новые продукты, снижающие содержание иридия. К ним относится оксид иридия-рутения (IrRuOx), который уже начинает использоваться в коммерческих целях. Однако со временем потребуются новые катализаторы на основе иридия на носителе (концепция, аналогичная платине на углеродной подложке), чтобы снизить зависимость от поставок иридия. Таким образом, существуют значительные возможности для разработки и вывода на рынок новых катализаторов, которые обеспечивают конкурентоспособные характеристики по сравнению с существующими катализаторами на основе Ir и IrOx, одновременно снижая общее содержание иридия до менее чем 1 г/кВт.
Газодиффузионные слои (ГД)
Газодиффузионные слои (ГДС), также известные как пористые транспортные слои (ПТС), являются еще одним ключевым компонентом ячеек PEMEL. Эти компоненты присутствуют с обеих сторон электродов и облегчают перенос воды к мембране, удаление продуктов сгорания (H2 и O2) с электродов и поток электронов через ячейку.
В качестве катодного материала используется углеродная бумага, состоящая из углеродных волокон, ПТФЭ и сажи. Анод представляет собой титановый войлок, покрытый тонким слоем платины. Титан необходим для обеспечения коррозионной стойкости на анодной стороне, а платина обеспечивает более высокую электропроводность и дополнительную стабильность. Эти материалы останутся в производстве и будут использоваться во всех батареях PEMEL.
Углеродная бумага была разработана благодаря усилиям индустрии топливных элементов с протонообменной мембраной и в настоящее время достаточно зрелая. Поэтому основное внимание в разработке уделяется анодной стороне с целью уменьшения толщины титанового войлока, оптимизации пористости и снижения необходимого количества платины. Содержание платины особенно важно и может быть снижено с помощью передовых технологий нанесения покрытий, таких как физическое осаждение из паровой фазы (PVD).
Биполярные пластины
Биполярные пластины действуют как физический барьер, разделяющий ячейки. Что еще более важно, эти пластины проводят электроны от анода одной ячейки к катоду другой, а также обеспечивают каналы для потока воды и газа внутри ячеек. В отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной (PEM), в которых могут использоваться графитовые биполярные пластины, в электролизерах PEM используются титановые пластины, которые более устойчивы к коррозии. Для повышения коррозионной стойкости и снижения электрического контактного сопротивления на катодной и анодной поверхностях требуется нанесение золотого и платинового покрытий соответственно, аналогично платине, используемой в титановых диэлектрических матрицах.
В очередной раз следует отметить, что в секторе топливных элементов PEM преимущества этих компонентов обеспечиваются производством высокоразвитых металлических биполярных пластин. Среди компаний, предлагающих технологии производства пластин, можно назвать Dana Inc., Schuler, Elcon Precision и многие другие. Каждый производитель использует разные технологии, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Несмотря на высокий уровень развития, производители все еще могут оптимизировать производство, сокращая отходы материалов и ускоряя производственные линии.
Нанесение покрытий на биполярные пластины — это область, которая больше всего выиграет от внедрения новых концепций. Например, более совершенные технологии нанесения покрытий, такие как PVD, могут сократить использование драгоценных металлов. Также можно найти альтернативы титану для снижения общей стоимости производства. Для этого необходимы эксперименты с различными металлическими сплавами и комбинациями материалов, такими как нержавеющая сталь с титановым покрытием. Последний вариант считается многообещающим, но он еще нуждается в обширных испытаниях в условиях коммерческой эксплуатации.
Прокладки и уплотнительные материалы
При проектировании электролизерных блоков часто упускают из виду прокладки или уплотнения, но эти компоненты не менее важны. Они служат герметизирующими элементами, создавая интерфейс между различными компонентами, такими как биполярные пластины и сепаратор. Эти точно спроектированные барьеры обеспечивают удержание и разделение газов, воды и компонентов ячейки в соответствии с требованиями. Прокладки обычно представляют собой тонкие листы или ленты, расположенные между биполярными пластинами.
Материалы для прокладок обычно выбираются с учетом низкой проницаемости водорода для предотвращения утечек, а также химической стойкости к кислотным и окислительным условиям электролизера. Они также должны обладать достаточной сжимаемостью и механическими свойствами, чтобы выдерживать сжимающие нагрузки. Типичные используемые материалы включают этиленпропилендиеновый мономер (EPDM), фторированный каучук (FKM), ПТФЭ и силикон.
Предварительно сформованные прокладки — наиболее распространенный тип. Они изготавливаются методом литья под давлением, чтобы соответствовать размерам электролизерного блока. Сложные конструкции биполярных пластин требуют тщательной герметизации, поэтому производители прокладок часто сотрудничают с поставщиками электролизеров или биполярных пластин. Это позволяет производителю наносить прокладки непосредственно на компоненты заказчика и отправлять их заказчику. Стратегии инноваций в области прокладок сосредоточены на оптимизации материала и производственного процесса, а также на исключении этапа нанесения за счет поставки смол, которые заказчики могут наносить и отверждать самостоятельно.
Обзор рынка и стратегические перспективы
Рынок компонентов для электролизеров находится на пороге значительного расширения: по прогнозам IDTechEx, к 2034 году его рыночная стоимость достигнет впечатляющих 31,7 миллиарда долларов. Этот рост в первую очередь обусловлен быстрым развитием индустрии «зеленого» водорода. Как показано в этой статье, на этом рынке существуют значительные возможности для поставок компонентов и инноваций.
В отчете IDTechEx «Материалы для производства экологически чистого водорода 2024-2034: технологии, игроки, прогнозы» также представлена аналогичная информация о материалах и компонентах, используемых в щелочных электролизерах воды (AWE), электролизерах с анионообменной мембраной (AEMEL) и твердооксидных электролизерах (SOEC). Предлагаются исчерпывающие списки поставщиков электролизерных блоков, компонентов и материалов, а также примеры ключевых коммерческих инноваций в этом секторе.
Кроме того, в отчете представлены подробные 10-летние прогнозы рынка, количественно оценивающие спрос на материалы и компоненты в тоннах, квадратных метрах (м²) и миллионах долларов в год. Для получения более подробной информации о текущих тенденциях и ключевых возможностях на рынке компонентов электролизеров воды обратитесь к отчету.
Автор: Чингис Идриссов, технологический аналитик компании IDTechEx
