“PEM电解槽MEA的制备是一个复杂的过程,其中涂布环节最为关键。温度、褶皱、转印的参与量、厚度的均匀性等,都需要很长时间的摸索。”隆深氢能总经理丁彦春表示。
 
在2022(第四届)高工氢电产业峰会上,隆深氢能总经理丁彦春发表了“PEM电解槽制氢及MEA制程”的主题演讲。他着重介绍了PEM电解槽MEA的制备过程,质子交换膜、催化剂以及气体扩散层等三大关键材料的性能及要求,以及隆深氢能的实践经验。
 
隆深氢能丁彦春:PEM电解槽MEA制备的核心与难点
 
隆深氢能丁彦春:PEM电解槽MEA制备的核心与难点PEM电解槽MEA制造核心材料
PEM电解水制氢技术具有工作电流密度高、总体效率更高、产氢纯度高、产气压力高、动态响应速度快、高负载灵活性等关键优势,因此PEM电解水制氢具有广阔的发展前景。
 
在PEM电解水制氢系统中,电解槽是最关键的部分, PEM电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极,是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所,膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。
 
而PEM电解槽膜电极的制备与质子交换膜、催化剂和气体扩散层三大核心材料密切相关。
 
质子交换膜方面,电解水制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜,制备工艺复杂,如科慕Nafion™系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion®膜、旭化成Aciplex®-S膜等。科慕Nafion™系列膜具有低电子阻抗、高质子传导性、良好的化学稳定性、机械稳定性、防气体渗透性等优点,是目前电解制氢选用最多的质子交换膜。国内的企业中,东岳未来氢能和武汉绿动都已经开发出了用于PEM电解槽的质子交换膜。
 
催化剂方面,理想电催化剂具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。PEM电解槽的催化剂阳极和阴极所用的材料有较大的不同,其中阴极析氢(HER)电催化剂主要以Pt、Pd贵金属及其合金为主;阳极析氧(OER)电催化剂则选用抗氧化、耐腐蚀的Ir、Ru等少数贵金属或其氧化物。
 
气体扩散层方面,阴极通常使用碳材料,如碳纸、碳布和碳毡等,阳极则主要用钛网、钛板和钛毡等钛材料。
 
隆深氢能丁彦春:PEM电解槽MEA制备的核心与难点涂布是PEM电解槽MEA制备的关键环节
介绍完PEM电解槽MEA的核心材料,丁彦春分析了PEM电解槽MEA制备的流程和关键关节,在浆料制备、CCM制备、五合一制备和六合一制备四大环节中,CCM制备最为复杂,对技术和经验的要求最高,也是影响PEM电解槽品质的核心所在。
 
“PEM电解槽MEA的制程中,涂布环节最为关键。温度、褶皱、转印的参与量、厚度的均匀性等,都需要很长时间的摸索。”隆深氢能总经理丁彦春表示,现阶段PEM电解槽MEA制备工艺的不同主要体现在CCM制备上,根据涂布方式的不同,有三者不同工艺可供选择。
 
其一是裁切+喷涂+热压整平;其二是裁切+狭缝涂布+平板转印;其三是裁切+狭缝涂布+热辊转印。在CCM制备过程中,转印同样十分关键的,其对转印膜的要求非常高,同样要求最后成品的厚度偏差控制在5%以下。
 
作为一家专业的氢能设备提供商,隆深氢能逐渐不断在MEA制造领域攀登新的高峰。2019年,隆深氢能国内首条全自动化MEA全制程生产线交付试产,CCM卷对卷双面涂布生产线交付投产,MEA五层卷材贴合交付生产;2020年,公司MEA高速封装线(10PPM)交付投产,国内首条CCM卷对卷双面热转印生产线交付试产;2021年,公司CCM高速双面涂布线突破25m/min,GDL卷对卷全套生产线(疏水、涂布、烧结)交付投产。
 
随着技术的进步和经验的积累,隆深氢能开始把MEA制造的触角向电解水制氢领域延伸。
 
现阶段,隆深氢能在PEM电解槽MEA制造方面已经取得了较大的进展。公司自2021年成功开发处PEM电解槽涂布、转印设备之后,已经逐步建立起较为完整的PEM电解槽MEA制造设备矩阵,涵盖CCM喷涂机、CCM涂布机、六合一封装线、电堆组堆线等多个关键制造环节。

原文始发于微信公众号(高工氢电):隆深氢能丁彦春:PEM电解槽MEA制备的核心与难点

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根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2020)》预测,2030年中国氢气需求量达3715万吨,2050年达9690万吨。有分析认为,电解水制氢将逐步作为中国氢能供应的主体,在氢能供给结构的占比将在2040、2050年分别达到45%、70%。 因此,在“双碳”背景下,电解水制氢项目成为了市场关注的热点话题。为促进行业信息流通,艾邦建有制氢产业交流群,聚焦氢气生产、碱水/PEM电解槽(隔膜、极板、催化剂、极框、密封垫片等)、PPS、质子交换膜、钛金属、镍网等产业链上下游,设备,材料,配件等配套资源,欢迎大家加入

作者 808, ab