PEM电解槽器件和测试服务

文摘   2024-06-05 12:08   广东  

我注意到大家对PEM电解水的问题比较关注,PEM近几年发展势头很好,Science、大小子刊文章、以及新兴的企业都能看出趋势。

对于做电催化氢能材料的人来说,PEM电解槽的测试至关重要,但大多数的我们没有测试经验,包括PEM的选购、膜的选择活化、器件组装、测试工作站操作等等,我之前做过一期PEM膜电极的测试教程,大家可以参考:

MEA膜电极组件电解水测试 (qq.com)

很多朋友问我能不能做PEM测试服务,因为我没有专业的测试技术,包括电解槽以及组装都是入门级,得到的数据不是很好,里面涉及很多经验和细节的问题会直接影响测试结果,专业的事情还得请专业的人来做。所以我也一直在找有没有专业做PEM的测试机构,能帮助我们把催化剂产出成果最大化。

质子交换膜水电解槽(Proton Exchange Membrane Electrolyzer Cell,PEMEC)简称PEM电解槽,通常是由端板、隔板、极板、传输层、膜电极组件(MEA)以及辅助配件堆叠装配而成。其中,MEA又包括PEM和催化层,如下图1所示:

图1. PEM电解槽组件

要想研究PEM电解槽中某一零部件的电化学性能,就需要对其余的部件进行合理的结构设计和堆叠布局,从而构建出一种稳定可靠的PEM电解槽测试器件。

但目前市面上常见的PEM电解槽测试器件(图2)在结构设计上普遍存在一些不合理之处,给研发人员在实际操作中带来了诸多不便:

图2. 市面上流通的PEM电解槽测试器件

比如:

  1. 1.     市面上常见的PEM电解槽测试器件大都采用极框+垫片(图3)作为槽体结构的密封部件,密封性不足,在测试过程中存在漏气、漏液的问题,通常需要额外补充垫片才能解决,这给实验测试人员带来了很多麻烦。

图3  市面上流通的PEM电解槽测试器件中的密封部件(极框和垫片)

  1. 2.     市面上常见的PEM电解槽测试器件无法做到对MEA的精准定位,在装堆时往往需要多次调试才能使得传输层表面与MEA中催化层高度贴合,极大地增加了研发人员在装堆时的工作负担,尤其是高校作催化剂研发的课题组,没有PEM测试的技术和经验,难以获得理想的数据。

针对上述问题,我了解到西部金属材料股份有限公司自主设计研发的一款PEM电解槽测试器件(型号:WMM-PEM-A25,规格:25 cm2)(图4)。

图4  西部金属材料公司开发的PEM电解槽测试器件(左侧为设计图,右侧为实体图)

该器件的优点是:

1. 采用密封圈+密封槽作为密封结构,可以保证整个器件的密封性,测试压力超过1 bar。

2. 在结构上特定为后续装堆预留了定位通孔,配合定位销钉可以充分保证MEA在器件内部的精准定位,无需多次重复调试对准。

3. 使用方便、扩展性强:该测试器件采用单池模块化的设计,可反复拆装而不损害器件的密封性,多池串联可满足大功率电解水测试需求。

4. 经久耐用、导电性好:该测试器件中核心部件(极板、传输层)上制备了贵金属铂涂层,显著提高了器件的使用寿命,同时还降低了极板与传输层之间以及传输层与催化层之间的接触电阻,特别适用于MEA的稳定性测试。

5. 测试范围较广、测试功能多样:该测试器件不仅可以对MEA进行电化学性能测试,也可以对极板的耐久性及其表面流场分布的合理性进行评估,还可以对传输层的耐久性及其内部气液传输性进行评估。此外,该测试器件功能更加多样化,可以进行加压测试,用来研究压力对MEA电化学性能的影响。


关于价格:

调研发现市面上有效反应面积在25 cm2的单池测试器件售价在8000-10000元。该公司开发的一套PEM电解槽标准单池测试器件有效反应面积25 cm2),售价为8000元解决了市面上测试器件普遍存在的结构相对较为粗糙,存在密封性不足和装配质量不高的问题,同时还兼具使用方便、扩展性强、经久耐用、导电性好、测试范围较广、测试功能多样的优点,组成部件如表1所示:

表1  PEM电解槽标准单池测试器件组成部件明细

组成部件

材质

数量

功能

阳、阴极端板

铝合金

各1

支撑作用

阳、阴极隔板

绝缘电木

各1

绝缘作用

阳、阴极电流板

镀金黄铜

各1

施加电流

阳、阴极板

(带流场结构)

镀铂钛板

各1

气液分配

阳、阴极传输层

镀铂钛毡

各1

气液传输

MEA

(含阳、阴极侧催化剂)

PEM

阳极催化剂IrO2

阴极催化剂Pt/C

1片

电解水反应发生的主要场所

气、水路接头

-

若干

进水、出水、进气、出气

密封圈

-

若干

密封作用

螺栓、螺母

不锈钢

若干

装配

销钉

不锈钢

若干

定位


考虑到一些研发人员有高输入功率大氢气流量输出下多池测试的需求,该公司也额外提供镀铂双极板部件,这在PEM测试的文章中很常见,如表2:

表2  PEM电解槽测试器件定制化需求部件明细

定制化需求部件

规格

单价

镀铂双极板

110*72 mm,3.0 mm厚

800  元

钛毡

50*50 mm,0.4 mm 厚

120  元

镀铂钛毡

50*50 mm,0.4 mm 厚

200  元

MEA(只含阴极侧催化剂)

有效反应面积50*50 mm2

300  元

MEA(同时含阴、阳极侧催化剂)

有效反应面积50*50 mm2

380  元


其中,器件中的传输层和MEA属于消耗品,如果长期测试,可以多配一些。传输层采用的是商业钛毡,可以根据研发需求选择是否对传输层镀铂处理;MEA采用的是商业膜电极,可以根据研发需求选择是否对MEA负载催化剂。(配件可以单独购买)


如果想测大电流密度而工作站量程不够的话,还可以看我之前分享的办法:

工作站量程不够怎么办 (qq.com)


对于测试条件达不到的研究小组,该公司还提供专业化MEA性能测试服务

测试服务所用的PEM电解槽测试系统是大连宇科创新科技有限公司生产的PEM电解槽测试系统(图5),仪器型号是YK-DJP-5L,执行标准是GB/T-37562,可实时采集电池电压、电流密度、压强、温度、电导率、水溶液pH以及气体流量和纯度等参数。

图5  大连宇科创新科技有限公司生产的PEM电解槽测试系统


测试视频如下:


测试结果如下:

图6  氢辉能源有限公司生产的膜电极的电化学性能测试结果

(测试条件:阳极商业IrO2催化剂,阴极Pt/C催化剂,质子交换膜Nafion115,催化剂有效接触面积25cm2,循环水电导率<5 uS/cm2,温度80摄氏度,流速1.0L/min)



表3 该公司提供的PEM电解测试服务价目表:

测试项目

测试标准

单价(下半年6-12月优惠价)

极化曲线测试

电压区间1.2~2.2 V

单个样品600

稳定性测试

2.0 V恒压或

1、2 A/cm2恒电流密度

0~8 h,单个样品400

8 h以上,每增加24 h收费200元,超过100小时,价格电议。


我只是帮忙宣传一下,大家有需要的话可以前去咨询。

联系人:王博士

联系电话:18809424751(微信同号)

公司地址:西安经济技术开发区泾渭工业园西金路15号

公司网址:http://www.c-wmm.com/


如果大家还有比较好的产品、技术都可以联系我我了解之后,只要是对我们做科研有帮助的,都可以免费做宣传推广。


科泰催化是以个人名义创办的公益电化学知识交流平台,致力给大家分享电催化知识与经验,所有内容仅代表个人观点,有问题请多多指教,多多交流。

学习资料会上传至科泰催化QQ交流群文件,有需要的请加3群:925138258微信交流群加我微信,备注身份来意,个人微信:18675601215 (容容),群里会每日更新一篇文献,之前发布的相关视频内容在B站“科泰催化-容容”,会持续更新。

加油!





科泰催化
电催化入门,干货分享,科研交流
 最新文章