PEM зажат между двумя электродами , в которые встроен катализатор. Электроды электрически изолированы друг от друга PEM. Эти два электрода составляют анод и катод соответственно.
PEM обычно представляет собой протонно-проницаемый электрический изолирующий барьер из фторполимера (PFSA) . В настоящее время разрабатываются углеводородные варианты, которые, как ожидается, придут на смену фторполимерам. Этот барьер позволяет протонам перемещаться от анода к катоду через мембрану, но заставляет электроны перемещаться по проводящему пути к катоду. Наиболее часто используемые PEM Nafion — это Nafion XL, 112, 115, 117 и 1110.
Электроды прессуются под давлением на PEM. Обычно для 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. Встраивание ELAT с катализатором из благородных металлов позволяет этой углеродной ткани также действовать как электрод. Существует также много других различных методов и процедур для производства MEA, которые весьма схожи между топливными элементами и электролизерами . [1]
Платина является одним из наиболее часто используемых катализаторов, однако используются и другие металлы платиновой группы . Рутений и платина часто используются вместе, если оксид 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, использующих более дешевые материалы, поскольку высокая стоимость по-прежнему является сдерживающим фактором для широкого экономического принятия технологии топливных элементов.
Текущий срок службы составляет 7300 часов в условиях циклирования, при этом нагрузка платиновой группы снижается до 0,2 мг/см2. [4]
Производство
В настоящее время большинство компаний, производящих МЭА, специализируются исключительно на крупносерийном производстве, например, WL Gore & Associates , Johnson Matthey и 3M . Однако есть и другие компании, которые производят МЭА, позволяя также оценивать различные формы, катализаторы или мембраны, в том числе Fuel Cell Store, FuelCellsEtc и многие другие.
Обзор рынка
По оценкам, мировой рынок мембранно-электродных сборок (MEA) в 2023 году составит 672 млн долларов США, а к 2030 году, по прогнозам, достигнет 3853 млн долларов США, при среднегодовом темпе роста 28,2% в прогнозируемый период 2024-2030 гг. [5]
Сегментация рынка
По типу
5-слойный МЭУ : 5-слойный МЭУ является наиболее широко используемым типом благодаря балансу производительности и экономической эффективности. Обычно он состоит из анода , катода и двух ионообменных мембран . Такая конфигурация обеспечивает эффективную протонную проводимость и эффективную диффузию газа, что делает его пригодным для различных применений, включая транспортные средства на топливных элементах и портативные энергосистемы. Исследования показали, что 5-слойные МЭУ могут обеспечить улучшенную производительность в различных условиях эксплуатации, что делает их предпочтительным выбором в отрасли.
7-слойный MEA: 7-слойный MEA включает дополнительные слои, которые повышают производительность и долговечность. Эта конструкция обычно включает 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 достигать более высоких плотностей тока и более низких скоростей деградации по сравнению с более простыми конструкциями, что делает их подходящими для требовательных сред, таких как большегрузный транспорт и стационарная генерация электроэнергии.
3-слойный MEA : 3-слойный MEA в основном используется в приложениях, где снижение стоимости является приоритетом. Хотя этот тип может не обеспечивать тот же уровень производительности, что и 5-слойные или 7-слойные конфигурации, он все равно может быть эффективным для определенных маломощных приложений. Такая конструкция обычно включает меньше слоев катализатора и больше подходит для малогабаритных устройств или приложений, где вес и стоимость являются существенными факторами.
^ ab Carmo, M; Fritz D; Mergel J; Stolten D (2013). «Комплексный обзор электролиза воды с помощью PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. Bibcode : 2013IJHE...38.4901C. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
^ Бентам, Дэниел Патент ВОИС WO/2008/007108 Система распределения тока для электрохимических ячеек. Freepatentsonline.com (2008-01-17). Получено 2013-04-19.
^ Ge, Jiabin; Higier, Andrew; Liu, Hongtan (2006). «Влияние сжатия газодиффузионного слоя на производительность топливного элемента PEM». Journal of Power Sources . 159 (2): 922. Bibcode : 2006JPS...159..922G. doi : 10.1016/j.jpowsour.2005.11.069.
^ Школьные автобусы на топливных элементах: Отчет Конгрессу. Министерство энергетики США, декабрь 2008 г., стр. 9.
^ "Размер рынка мембранных электродных сборок (MEA) и прогноз до 2032 года". PragmaMarketResearch . Получено 29.07.2024 .
Внешние ссылки
Интегрированное производство для современных многокомпонентных электронных устройств
