چرا آند تیتانیوم ماده ترجیحی برای الکترولیز PEM است؟

هنگامی که تیتانیوم در معرض اکسیژن یا آب قرار می گیرد، یک لایه اکسید محافظ (TiO2) روی سطح خود ایجاد می کند. این فیلم غیرفعال در پایدار نگه داشتن بسترهای تیتانیوم در محیط های اسیدی بسیار خوب است که برای عملکرد PEM مهم است. ساختار تیتانیوم حتی پس از قرار گرفتن در معرض مایعات اسیدی برای مدت طولانی ثابت می ماند، در حالی که سایر فلزات شکسته می شوند یا لایه های اکسیدی تشکیل می دهند که محافظت نمی کنند.

لایه اکسید تیتانیوم می تواند خود را التیام بخشد که به محافظت از آن می افزاید. ایرادات یا بریدگی‌های کوچک به‌سرعت دوباره{1}}هنگام تماس آب با آنها غیرفعال می‌شوند و لایه محافظ را در جای خود نگه می‌دارند. این ویژگی در پشته های PEM بسیار مهم است، جایی که قابلیت اطمینان طولانی مدت تأثیر مستقیمی بر هزینه ساخت هیدروژن دارد. پایداری بالای مواد صفحات تیتانیوم تضمین می کند که ساختار الکترود تا زمانی که الکترولیز کار می کند در جای خود باقی بماند.

یکی از سخت ترین چیزها در مورد انتخاب مواد برای الکترولیزهای PEM اسیدی بودن آنهاست. محیط های بسیار اسیدی برای غشاهای تبادل پروتون بهترین هستند، به همین دلیل است که اکثر فلزات در این شرایط به سرعت حل می شوند. تیتانیوم از نظر شیمیایی در محدوده وسیعی از PH پایدار است و به ویژه در برابر حملات اسیدی مقاوم است که آن را برای استفاده به عنوان آند PEM عالی می کند.

بر اساس تحقیقات در مورد نحوه واکنش الکتروشیمیایی تیتانیوم در محیط های اسیدی، تیتانیوم حتی زمانی که قطبی می شود، به طور غیرفعال پایدار می ماند. فیلم اکسید تیتانیوم پایدار و محافظ می ماند و مانع از حل شدن فلز و آلوده شدن غشا می شود که عملکرد سیستم را کاهش می دهد. این بی اثری شیمیایی شامل برهمکنش با آب و اکسیژن محلول است که هر دو در محیط های کاری PEM وجود دارند. این باعث می‌شود که بستر در واکنش‌های ناخواسته شرکت نکند که می‌تواند بازده تولید هیدروژن را کاهش دهد.

در حین کار، دمای الکترولیز PEM تغییر می کند. معمولاً بین 50 تا 80 درجه کار می‌کند، اما در برخی از ایالت‌ها دماهای بالاتری دارد. انبساط حرارتی نامتناسب بین قطعات پشته ای می تواند باعث استرس مکانیکی شود که می تواند به غشاء آسیب برساند، باعث از کار افتادن آب بندی ها یا جدا شدن لایه های کاتالیزوری شود. سرعت انبساط حرارتی تیتانیوم تقریباً مشابه بیشتر مواد پشته ای دیگر است. این بدان معنی است که تنش حرارتی در هنگام تغییر دما به حداقل می رسد.

این سازگاری حرارتی تا جایی پیش می‌رود که لایه‌های فلزی ارزشمند با سطوح تیتانیوم برخورد می‌کنند. شرکت‌های پیشرفته‌ای مانند NAVI Titanium لایه‌های انتقالی گرادیان را ساخته‌اند که از تفاوت‌های باقیمانده در انبساط حرارتی از طریق لایه‌های میانی با دقت طراحی شده مراقبت می‌کنند. این ساختارهای چندلایه می‌توانند تنش حرارتی را تحمل کنند و در عین حال تماس الکتریکی و فعالیت کاتالیزوری را حفظ کنند. این نشان می دهد که چگونه ویژگی های اساسی تیتانیوم ایجاد ساختارهای پوششی پیچیده را ممکن می سازد.

ترکیبات گرافیت و کربن در رسانایی الکتریسیته بسیار خوب هستند و در بسیاری از سیستم های الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار گرفته اند. مواد کربنی را می توان با تخلخل کنترل شده برای بهبود جریان جرم ساخت و معمولاً خواص الکتریکی بهتری نسبت به تیتانیوم دارند. الکترودهای مبتنی بر کربن-معمولاً هزینه مواد کمتری نسبت به الکترودهای مبتنی بر تیتانیوم- دارند، که این همان چیزی است که در ابتدا باعث جلب توجه اقتصادی شد.

از آنجایی که کربن هنگام اکسید شدن به صورت آندی ناپایدار است، در کاربردهای آند PEM بی فایده است. کربن در اتمسفر اسیدی و پتانسیل بالا به CO2 اکسید می شود که منجر به از دست دادن مواد و تخریب ساختار می شود. شرایط آند PEM درازمدت حتی برای اشکال کربن گرافیتی که در برابر اکسیداسیون بهتر مقاومت می کنند، بسیار سخت است. پنجره الکتروشیمیایی که در آن کربن پایدار می ماند، پتانسیل های تکامل اکسیژن مورد نیاز برای الکترولیز آب را شامل نمی شود. این بدان معنی است که کربن نمی تواند به عنوان یک ماده پایه آند استفاده شود، حتی اگر ویژگی های مفید دیگری داشته باشد.

الکترولیزهای PEM ابتدا از صفحات تیتانیوم ضخیم به عنوان تکیه گاه آند استفاده کردند. صفحات از زنگ زدگی و سازه های پشتیبانی می کردند. این صفحات سفت عملکرد خوبی داشتند اما جرم را به خوبی حرکت نمی دادند. حباب های اکسیژن روی سطح کاتالیزور باید از لایه کاتالیزور عبور کرده و از الکترود دور شوند. بسترهای متراکم به فرار گازها کمک نکردند. حباب های گاز بیشتر باعث افزایش مقاومت موضعی و کاهش استفاده از کاتالیزور فعال شد.

آند تیتانیومتکنولوژی پیشرفته با بسترهای تیتانیوم متخلخل. ساختارهای الیافی یا پودر تیتانیوم متخلخل شبکه های رسانای سه بعدی با تخلخل تنظیم شده را تشکیل دادند. این امر حذف اکسیژن از لایه کاتالیزور را تسهیل کرد. لایه های انتقال متخلخل (PTL) پتانسیل های انتقال جرم را کاهش داده و جریان الکترود را بهبود می بخشد. NAVI Titanium ساختارهایی با عمق منافذ متفاوت برای حذف بهتر گازها و جریان الکتریسیته توسعه داده است. رویکرد گرادیان دارای حفره‌های کوچک‌تری در رابط کاتالیزور است تا جریان را به طور یکنواخت و منافذ بزرگ‌تر در سمت میدان جریان برای سرعت بخشیدن به حذف اکسیژن توزیع کند.

طول عمر الکترولایزر به رابط پوشش کاتالیزوری زیرلایه تیتانیوم- بستگی دارد. هنگامی که پوشش چسبیده نمی شود، پوسته می شود و سطح اکسید تیتانیوم غیرفعال را آشکار می کند و مقاومت سلولی را افزایش می دهد. مهندسی رابط مدرن به پوشش ها کمک کرده است تا صدها تا هزاران ساعت زنده بمانند.

تکنیک انتقال گرادیان چند لایه، چسبندگی را با درجه بندی زیرلایه تیتانیوم و کاتالیزور فعال بهبود می بخشد. سیستم لایه انتقالی Ti{2}}TiN-Ta2O5 NAVI تیتانیوم این رویکرد را نشان می‌دهد و از تیتانیوم جامد به نیترید تیتانیوم، اکسید تانتالوم و لایه کاتالیزور مبتنی بر ایریدیم{4}}پیشرفت می‌کند. این گرادیان تنش سطح مشترک ناشی از افزایش دما و نوسانات پتانسیل الکتروشیمیایی را به حداقل می رساند. لایه های انتقالی از اکسیداسیون تیتانیوم در نقص جلوگیری می کنند، از رسیدن الکترولیت به زیرلایه و ایجاد TiO2 مقاومتی جلوگیری می کنند. این پیشرفت های مهندسی رابط به NAVI Titanium اجازه می دهد تا 10000 ساعت یا بیشتر کار کند. افزایش طول عمر الکترود بر اقتصاد الکترولیز PEM تأثیر می گذارد.

ایریدیوم یکی از نادرترین عناصر در پوسته زمین است. هر سال تنها چند هزار تن در سراسر جهان تولید می شود. نگرانی ها در مورد در دسترس بودن ایریدیوم و پایداری زنجیره تامین با افزایش مورد انتظار در استفاده از الکترولیزهای PEM برای ساخت هیدروژن سبز افزایش یافته است. اگر هنوز از آندهای بارگذاری بالا{3} معمولی استفاده می‌شود، سناریوهایی که پذیرش گسترده اقتصاد هیدروژنی را پیش‌بینی می‌کنند نشان می‌دهند که ممکن است محدودیت‌های مواد وجود داشته باشد.

این مشکلات زنجیره تامین را می توان مستقیماً با فناوری هایی حل کرد که میزان فلزات گرانبها مورد نیاز برای ساخت یک واحد هیدروژن را کاهش می دهد. طرح‌های آند تیتانیوم با بار کم- منابع ایریدیوم موجود را روی یک ظرفیت الکترولیز بزرگتر پخش می‌کنند، که به رشد صنعت کمک می‌کند بدون اینکه در تامین مواد کافی دچار مشکل شود. همانطور که بخش‌های بیشتری به طور همزمان روی طرح‌های برق‌سازی و کربن‌زدایی کار می‌کنند، این بهره‌وری منابع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. ایجاد فناوری‌های پوششی که در بارهای کمتر به کار خود ادامه می‌دهند، نه تنها راهی برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها، بلکه یک ضرورت استراتژیک برای رشد بلندمدت- صنعت است.

این طیف گسترده از کاربردها به طور مستقیم توسط روش پوشش انعطاف پذیر NAVI Titanium پشتیبانی می شود. محدوده بارگیری 0.05 تا 0.5 mg/cm² به شما امکان می دهد بهترین عملکرد را برای موقعیت های کاری مختلف داشته باشید. بارهای کمتر برای کاربردهایی با چگالی جریان متوسط ​​بهترین هستند، در حالی که بارهای بالاتر فقط برای چرخه های کاری بالا یا دمای عملیاتی بالا هستند. این توانایی سفارشی‌سازی باعث می‌شود که کاربران برای بارگذاری فلزات گرانبها برای کاربردشان زیاد هزینه نکنند، که این امر اقتصادی را برای هر سناریوی استقرار به حداکثر می‌رساند. آندهای مدرن{6}}تیتانیوم کم‌هزینه انعطاف‌پذیر هستند، که آنها را به راه‌حل‌های خوبی تبدیل می‌کند که می‌توانند برای برآوردن نیازهای متغیر بازار و فناوری‌های جدید در طراحی الکترولیز PEM استفاده شوند.