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| 钛金属在PEM电解槽应用 |
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发布者：zq1229 发布时间：2023/11/18 13:19:40 阅读：30次 【字体：大 中 小】 |
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钛金属在PEM电解槽应用
钛和钛合金具有低密度、高强度、耐腐蚀等特点，在PEM电解槽上的应用，主要用于双极板和气体扩散层。
PEM电解槽是众多制氢技术的一种，采用聚氟磺酸膜做质子交换膜，以纯水为反应物，具有产氢纯度高、结构及工艺简单、安全性高等特点，同时更适应快速变化的可再生能源电力输入，从而备受行业青睐。
因为采用全氟磺酸膜，导致PEM电解槽的工作环境偏酸性，再加上阳极侧的高电压和氧气释放形成了恶劣的氧化环境，所以PEM电解槽的双极板、气体扩散层等结构需要具备耐腐蚀的性能，可选材料有石墨、不锈钢、钛等，各有优劣，而钛的综合性能更优一些。
1.钛气体扩散层
气体扩散层（GDL）的作用是将气/液两相从双极板流场传输到催化剂层，同时作为集流体传导和收集电子。由于 PEM 电解水阳极过电位高，商业电解槽通常使用钛基多孔材料作为阳极 GDL。为防止钛在长期运行中被氧化，表面还需涂覆铂或铱涂层。GDL 的孔径和孔结构会明显影响气液两相传输，Ito 等研究发现随着钛毡平均孔径减小，PEMWE 性能逐渐增强，电极上产生的气泡会导致水供应的降低。
当平均孔径小于50μm 时，水供应降低对阻抗的影响会被限制，从而增加电极和钛毡的均一接触，降低接触电阻和活化过电位。对比了钛毡、烧结钛板和碳纸三种阳极 GDL，结果显示钛毡的电解性能和稳定性最优，这归结于其合适的孔结构有利于在高电流密度区的气液传质。
通过对 GDL 的结构和制备工艺进行改进和创新，可以提升电解性能。超薄可调节的钛基 GDL（厚度为 25µm），其平面带有直通式孔隙且结构可控。孔径为 400µm、孔隙率为 0.7 时的超薄 GDL 表现出目前文献报道的最佳性能（2A/cm2@1.66 V）。进一步考察了微米（5µm）和纳米钛颗粒（30-50nm)制备的微孔层对电池性能的影响。发现，虽然微米颗粒的微孔层在某些条件下会略微提升催化活性，但会增加界面欧姆阻抗，因此认为微孔层修饰对这种小孔径、孔隙率大的超薄 GDL 并非必要。采用电子束熔化增材制造技术制备出 Ti-6Al-4V 阳极 GDL，其电解性能明显优于烧结钛网。增材制造技术可以制备结构可控的孔形貌和结构，尤其对于难以加工的钛基材料，能以更快、更便宜的方式实现其复杂三维形貌设计的制造。
即使在酸性和高阳极电位下，钛也是腐蚀性最小的材料，并且相对容易形成各种类型的多孔介质。因此，钛网/毡/泡沫/烧结粉末可用作PEMWE阳极的GDL。
以钛毡为例，其生产工艺流程为：挑选优质海绵钛——根据钛毡金属含量要求定制工艺制成钛晶体——锻造成所需形状——钛板机加工成钛纤维——钛纤维进行铺制——高温烧结制得多孔钛毡。
2.钛双极板
与石墨相比，钛具有优异的耐蚀性、低的初始电阻率、良好的机械强度和轻的重量，是目前PEMWE的最佳板材材料，通常会在钛表面镀有贵金属或铂族金属，以满足高压和氧化环境下的耐用性和性能要求。
钛双极板可以镀金或镀铂，可以降低内阻，提高耐腐蚀性，镀膜方法有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、水热法等。
（4）用于阴极气体扩散层特性
气体扩散层 (GDL) 是电化学过程的关键组件，在PEM电池中，多孔碳允许气体和液体同时通过介质传输，并为电子从反应区移动到集电器提供电气路径，
粉末烧结滤板
生产工艺：分筛—等静压成型—真空高温烧结
粉末烧结板是以钛TA1钛粉为原料，经过分筛、成型,烧结而成。
结构特点：材料内部含有大量连通的孔隙，孔隙结构由规则和不规则的粉末颗粒堆垛而成，孔隙的大小和分布以及孔隙度大小可根据粉末粒度组合和制备工艺来进行调整从而满足客户实际需求。
产品优点：渗透性好、孔径和孔隙可控、形状稳定、过滤精度高、耐磨、力学性能好、具有良好的导热、耐热、散热性能，可反冲洗多次使用。
钛烧结多孔材料的功能特点
1) 孔径均匀、孔隙稳定、分离效率高。
2) 孔隙率高、过滤阻力小、渗透效率高。
3) 化学稳定性好、耐酸碱腐蚀、具有抗氧化性能。
4) 形态结构稳定，无微粒脱落，符合食品卫生及制药GMP要求。
5) 机械性能好，压差低、流量大。
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