Platinum Iridium Coated Titanium Anode: Den ideelle løsningen for PEM-systemer

Når det gjelder anodiske forhold i sure miljøer, er iridium det mest stabile grunnstoffet. Internasjonale elektrokjemilaboratorier har vist igjen og igjen at iridiumoksid fortsatt kan fungere som en katalysator selv etter tusenvis av timer med konstant drift ved høye potensialer. Den krystallinske strukturen til materialet gjør det ideelt for PEM-anodeapplikasjoner fordi det overfører elektroner effektivt og ikke oppløses.

Platina fungerer godt med iridium fordi det forbedrer den generelle effektiviteten til katalysatoren og reduserer aktiveringsoverpotensialet. Når disse edle metallene blandes i to eller tre forskjellige belegg, fungerer de bedre sammen enn når de brukes alene. Pt-Ir-blandingen forbedrer både hastigheten som oksygen frigjøres med og levetiden som trengs for industriell PEM-bruk. Bruk av feltdata fra fungerende elektrolysatorer viser at platina-iridium-belagttitan anoderholde seg stabile i ytelsen selv etter 10 000 timers bruk.

I disse dager er titananodesubstrater ikke bare enkle tette plater. Ledende produsenter bruker nå gradientporøsitetsstrukturer som forbedrer måten massen beveger seg på, samtidig som den beholder den strukturelle styrken. Disse konstruerte substratene har nøye kontrollerte porestørrelsesfordelinger som gjør det enkelt å kvitte seg med oksygenbobler fra elektrodeoverflaten. Dette er viktig fordi gass kan bygge seg opp og blokkere aktive steder, noe som øker cellemotstanden.

PEM-teknologi tok et stort skritt fremover da den gikk over fra tykke titanstrukturer til porøse. Sammenlignet med flate plater har porøse titansubstrater, som vanligvis er laget gjennom pulvermetallurgi eller sintring, mye mer overflate. Denne større formen gjør det lettere for edelmetallkatalysatorer å spre seg og gjør det mulig for gass å unnslippe raskt. Nye utviklinger innen gradientmodifikasjonsmetoder har gjort substrater med bedre porøsitetsprofiler. Disse har høyere porøsitet nær membrankontakten for å få det mest katalytiske overflatearealet, og lavere porøsitet i bulkområder for å beholde strukturens integritet.

På punktet der elektroden møter membranen, kommer elektrokjemiske reaksjoner, massetransport og elektrisk ledning sammen. Interface engineering handler om å få dette grenseområdet til å fungere bedre slik at det blir mindre motstand, bedre strømflyt og enklere fjerning av produktgasser. Ved å kontrollere formen på beleggets overflate nøye, kan det lages mikrostrukturer som dekker to ulike behov: de må være grove nok til å få intim membrankontakt, men ikke for grove til at de legger for mye press på polymerelektrolytten og skader den.

Grensesnittdesign har blitt mye bedre takket være forskningsavtaler mellom selskaper som lager deler og selskaper som lager elektrolysatorer. Optimaliserte overflatetopografier senker cellespenningene med 20 til 40 millivolt sammenlignet med eldre elektrodegenerasjoner. Dette er en forbedring av effektiviteten som direkte fører til lavere energibruk og kostnader. Disse forbedringene viser at nøye utforming av titananodestrukturer gjør at hele PEM-systemet fungerer bedre.

Belegget som kommer av eldre titananoder er en stor feilfaktor. Grenseflatespenninger skyldes temperatursvingninger, mekanisk stress og elektrokjemi. Disse trykket kan ødelegge pels-overflateforbindelser. Nye flerlags overgangsteknologier løser denne mangelen ved å introdusere elementer som kjemisk knytter seg sterkt til titan og edelt metallfaser. Sterke overflater er resultatet av regulert varme eller plasma--lagde titannitrid-mellomlag. Nitridlaget binder seg kovalent til titan under og gir et kjemisk passende grunnlag for edelmetallavsetning. Noen virksomheter legger til tantaloksidlag mellom hovedlagene for lignende fordeler, men forskjellig termisk ekspansjon. Disse utviklede overgangssonene distribuerer passivt mekaniske belastninger i stedet for å konsentrere dem ved skarpe materialkanter, noe som reduserer delaminering.

De nyeste beleggene inneholder sjeldne jordartsmetaller som lar dem reparere små feil etter bruk. Lokale elektrokjemiske gradienter tvinger disse kjemikaliene mot skadede steder, hvor de produserer beskyttende oksidfaser som stenger mikroporene og forhindrer ytterligere nedbrytning. Selvhelbredende teknikken på nanoskala forbedrer elektrodelevetiden ved å forhindre forringelse før den forårsaker katastrofale feil.

Sputtering, fordampning og fysisk dampavsetning (PVD) produserer tynne filmer ved å kombinere fordampede materialer. PVD lar deg justere beleggsammensetning, tykkelse og mikrostruktur. Etter riktig substratpreparering produserer prosessen tykke, homogene og klebrige filmer.

Moderne magnetronforstøvningsteknikker skaper nanoskala Pt-Ir-filmer med presis støkiometri. Tynne lag gjør det mulig å bruke mindre kostbart metall samtidig som det er katalytisk. PVD-teknikker minimerer varmestress og substratkornutvikling, noe som kan forringe materialkvaliteten. Disse egenskapene gjør PVD til et utmerket alternativ for høye-ytelsesformål når maksimering av forbruket av edelt metall kompenserer for de høyere kostnadene ved deponeringsutstyr.

Bruk av gamle belegningsmetoder resulterte ofte i ganske tykke lag der bare atomene på overflaten deltok i katalytiske reaksjoner. Dette betydde at materialet under filmen var elektrisk inaktivt. Ved å lage strukturer med høye-overflate-, øker nanostruktureringsmetoder mengden edle metaller som reaktanter kan nå. Nanopartikkelbaserte-belegg sprer for eksempel katalytisk materiale ut som separate partikler i stedet for en kontinuerlig film. Dette gjør det aktive overflatearealet per masseenhet mye høyere.

Avanserte avsetningsparametere lar deg endre formen på nanostrukturen, skape søyleformede korn, porøse nettverk eller partikkelarrayer som fungerer best i visse elektrokjemiske miljøer. Beleggspesialister og elektrokjemieksperter har jobbet sammen for å finne nanostrukturer som fungerer like godt som vanlige belegg ved katalyserende reaksjoner, men bruker 30–60 % mindre verdifullt metall. Disse nye ideene fører direkte til lavere elektrodekostnader og bedre systemøkonomi.

Strukturen til underlaget har stor betydning for hvor godt belegg fungerer etter at de er påført. Sammenlignet med flate substrater, gjør gradient-modifiserte porøse titansubstrater med optimaliserte porefordelinger bedre bruk av katalysatorer. Den tre-dimensjonale formen til substratet sprer det katalytiske materialet utover en stor reaksjonssone i stedet for å konsentrere det på en flat overflate. Denne romlige spredningen senker de lokale strømnivåene på hvert katalytisk sted. Dette reduserer stress og øker levetiden til systemet.

Behovet for edelt metall påvirkes også av hvor nøyaktig ting er laget. Påføring av belegget jevnt sikrer at den katalytiske aktiviteten er den samme over hele elektrodeområdet. Dette hindrer strøm fra å bygge seg opp i områder med mye belegg, mens lett belagte områder bare tilfører litt. Ved å bruke avanserte avsetningsmetoder med sann-sporing og tilbakemeldingskontroll lages svært jevne lag som får mest mulig ut av små mengder verdifullt metall.