Wasserstoff-PEM-Elektrolyseur

 

Kleines Volumen

• Hohe Betriebsstromdichte (1,5~3A/cm²)
• Dicke des Kernbereichs des Tanks weniger als 1 m
• Auf einem Rahmen montiertes integriertes Hilfssteuersystem

Hohe Effizienz

• Gleichstromverbrauch unter 4,3 kWh/Nm³
• Wärmewirkungsgrad höher als 75 %
• Bevorzugte PEM-Membranelektroden auf international führendem Niveau
•  

 

1. Verbesserte Stabilität der Betriebsparameter

1.1 Dauerbetriebsdruck:Der Elektrolyseur hält einen stabilen Arbeitsdruck von 3,0 MPa aufrecht und gewährleistet so die konstante Produktion von Wasserstoff bei diesem Druckniveau. Diese Anpassungsfähigkeit erfüllt unterschiedliche betriebliche Anforderungen und minimiert den Bedarf an zusätzlicher Druckbeaufschlagung, wodurch die damit verbundenen Kosten gesenkt werden.

1.2 Optimale Betriebstemperatur:Der Elektrolyseur arbeitet in einem Temperaturbereich von 70 ± 5 Grad und weist eine außergewöhnliche Stabilität und Anpassungsfähigkeit auf, wodurch eine zuverlässige Leistung unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gewährleistet wird.

2. Erweiterter Bereich von Leistungsschwankungen

Flexible Leistungsanpassung: Der Elektrolyseur ermöglicht einen breiten Leistungsanpassungsbereich von 5 % bis 110 %. Dieser umfangreiche Bereich ermöglicht einen reibungslosen Betrieb des Systems auch bei erheblichen Schwankungen der Stromversorgung und gewährleistet so eine unterbrechungsfreie Wasserstoffproduktion.

3. Rapid-Start-Up-Technologie

Schneller Warm- und Kaltstart: Mit der Schnellstartfunktion minimiert der Elektrolyseur Produktionsausfallzeiten. Kaltstarts erfordern weniger als 5 Minuten, wodurch die Stagnationsphase in der Produktion deutlich verkürzt wird. Darüber hinaus dauern Warmstarts nur 5 Sekunden, sodass die Ausrüstung schnell ihren optimalen Betriebszustand erreicht und so die Betriebseffizienz erhöht wird.

 

Name	Parameter
Wasserstoffproduktionskapazität (Nm3/h)	200
Spitzenkapazität der Wasserstoffproduktion (Nm3/h)	240
Gleichstromverbrauch (kWh/Nm3)	Kleiner oder gleich 4,3
Wasserstoffreinheit (vor der Reinigung)	Größer oder gleich 99,9 %
Elektrolyseurgehäuse – B x T x H(m)	0.8x0.6x1.5
Betriebsdruck (MPa)	3 . 0
Betriebstemperatur (Grad)	70±5
Umgebungstemperatur (Grad)	5~40
Stromverbrauchsbereich	5-1 2 0 %
Kaltstartzeit (Minuten)	Kleiner oder gleich 5
Heißstartzeit (Sekunde)	5
Lebensdauer (Jahr)	Größer oder gleich 5
Elektrolyt	H2O
Trenneinheit
Bewertete Sauerstoffverarbeitungskapazität	100 Nm3/h
Sauerstoffreinheit (Nennbetriebsbedingungen)	>99.8%(0.2 MPa);>98,5 % (3 MPa)
Sauerstoffaustrittstemperatur (Grad)	70±5
Reinigungseinheit
Wasserstoffreinheit (nach der Reinigung)	Größer oder gleich 99,999 %
Taupunkt von Wasserstoff	-70 Grad
Wasserstoff-Austrittstemperatur	Normale Temperatur

 

 

Struktur und Prinzipien von PEM-Elektrolyseuren

Einführung

(1) Der PEM-Wasserelektrolyseur verwendet eine Protonenaustauschmembran, um das Gas auf beiden Seiten der Elektrode zu isolieren, um den Nachteil der alkalischen Elektrolyse-Wasserstoffproduktionsmembranen hinsichtlich der Gasdurchlässigkeit zu überwinden.

(2) Zu den Hauptgeräten gehören der PEM-Elektrolyseur und BOP.

(3) Dieses Modell kostet unter den aktuellen Bedingungen mehr;

 

Einführung in PEMWE

Der PEM-Wasserelektrolyseur nutzt eine feste Protonenaustauschmembran (PEM) als Elektrolyt und reines Wasser als Reaktant. Aufgrund der geringen Permeabilität von Wasserstoff ist die PEM-Elektrolyse in der Lage, hochreinen Wasserstoff zu erzeugen, der lediglich die Entfernung von Wasserdampf erfordert, wobei der Prozess einfach und sicher ist. Der Elektrolyseur ist in einer Nullabstandsstruktur mit geringerem ohmschen Widerstand konzipiert, was die Gesamteffizienz des Elektrolyseprozesses bei kompakterer Größe deutlich verbessert. Es unterstützt einen größeren Bereich der Druckregulierung mit einem Wasserstoffausgangsdruck bis zum MPa-Bereich, der an die sich schnell ändernde Stromzufuhr erneuerbarer Energien angepasst werden kann.

 

1. Prinzipien von PEM-Elektrolyseuren

Dieser Elektrolyseurtyp besteht wie der Brennstoffzellenstapel aus Membranelektroden, Platten und Gasdiffusionsschichten. Die Anode eines PEM-Elektrolyseurs arbeitet in einer stark sauren Umgebung (pH≈2) und unter der Elektrolysespannung von 1,4–2,0 V, in der die meisten unedlen Metalle korrodieren und sich mit darin enthaltenen Sulfonationen verbinden können PEM, wodurch die Protonenleitungsfähigkeit von PEM verringert wird.

 

2. Katalysatoren

Die Forschung zu Elektrokatalysatoren in PEM-Elektrolyseuren konzentriert sich hauptsächlich auf Edelmetalle/Oxide wie Ir und Ru und darauf basierende binäre und ternäre Legierungen/Mischoxide sowie Katalysatoren auf Titanbasis als Träger. Derzeit beträgt die Beladung der Iridium-Katalysatoren an der Anode etwa 1 mg/cm2 und die Pt-Beladung der Pt/C-basierten Katalysatoren an der Kathode beträgt etwa 0,4~0,6 mg/cm2. Der vom italienischen Forscherteam hergestellte Ir0.7Ru0.3Ox-Katalysator kann dafür sorgen, dass die Elektrolysezelle 3,2 A·cm–2 bei 1,85 V erreicht, wenn die Ir-Beladung 1,5 mg/cm2 beträgt. Der vom Giner-Forschungsteam hergestellte Ir0.38/WxTi1-xO2-Katalysator sorgt dafür, dass die Elektrolysezelle 2 A cm-2 bei 1,75 V erreicht, wenn die Ir-Beladung 0 beträgt. ,4 mg/cm2 und der Ir-Gehalt beträgt nur 1/5 des Wertes herkömmlicher Elektroden. Die Gesamtbeladung mit Platingruppenkatalysatoren an den Membranelektroden sollte auf 0,125 mg/cm2 reduziert werden.

Ru hat eine höhere intrinsische katalytische OER-Aktivität als Ir, Ru ist jedoch weniger stabil. Das Legieren von Ru mit Ir kann die Aktivität und Stabilität von Katalysatoren verbessern. Der vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hergestellte Ir{{0}}.6Sn0.4-Katalysator kann im vollständigen Elektrolyseurtest 2 A cm–2 bei 1,82 V erreichen. IrSn bildet eine stabile feste Lösungsstruktur, und der Prozess der Legierung mit Sn verbessert die Dispergierbarkeit von Ir und trägt so zur Reduzierung der Ir-Beladung bei.

Das National Renewable Energy Laboratory der Vereinigten Staaten und Giner haben gemeinsam eine Reihe von metallorganischen Gerüstkatalysatoren (MOF) entwickelt, die nur die Hälfte 0 der Kosten herkömmlicher Katalysatoren kosten. Wenn der Co-MOFG-O-Katalysator bei 0,01 A/cm2 liegt, beträgt die Überspannung 1,644 V (gegen RHE), was herkömmliche Ir-Katalysatoren im Halbzellen-Zerfallstest übertrifft, wobei Vollzellentests durchgeführt werden müssen.

 

3. PEM- und Membranelektroden

Zu den am häufigsten verwendeten Membranen in PEM-Elektrolyseuren gehören Nafion (DuPont), die Dow-Membran (The Dow Chemical Company), Flemion (Asahi Glass Co., Ltd.) und Aciplex-S (Asahi Chemical Industry Company), Neosepta-F (Deshan). Chemisch) und andere. Die von Giner entwickelte DSMTM-Membran wurde in großem Maßstab hergestellt und weist bessere mechanische Eigenschaften, eine geringere Dicke, stabile Abmessungen bei Stromschwankungen, beim An- und Abschalten sowie eine bessere Leistung in tatsächlichen Elektrolysezellen auf als Nafion. Inländische PEM-Produkte befinden sich im Teststadium.

 

Die Anode der PEM-Wasserelektrolyse sollte gegenüber saurer Umgebung und hohem Potenzial korrosionsbeständig sein und über eine geeignete Lochstruktur verfügen, um den Durchtritt von Gas und Wasser zu ermöglichen. Aufgrund der eingeschränkten Reaktionsbedingungen der PEM-Wasserelektrolyse können Membranelektrodenmaterialien (z. B. Kohlenstoffmaterialien), die üblicherweise in PEM-Brennstoffzellen verwendet werden, nicht als Anode der Wasserelektrolyse verwendet werden. 3M hat eine nanostrukturierte Dünnschichtelektrode (NSTF) entwickelt, die Ir- und Pt-Katalysatoren an der Anode bzw. Kathode verwendet. Die Beladung mit Ir und Pt beträgt 0,25 mg/cm2. Diese Elektrode kann in einer sauren Umgebung und unter Hochpotentialbedingungen stabil arbeiten. Seine stäbchenförmige Anordnungsstruktur auf der Oberfläche verbessert die Oberflächendispergierbarkeit von Katalysatoren. Proton nutzt den direkten Sprühabscheidungsansatz, um die Agglomeration von Katalysatoren zu reduzieren, wodurch Pt/C und Ir mit 0,1 mg/cm2 und IrO2 mit 0,1 mg/cm2 abgeschieden werden Nafion117-Membran. Die Leistung einer Elektrolysezelle ähnelt der herkömmlicher Elektrolysezellen mit hoher Katalysatorbeladung (1,8 A cm–2 bei 2 V), die bei 2,3 V 500 Stunden lang stabil arbeiten können.

 

SANY-Workshop zur Wasserstoffenergiemontage

Die weitläufige Werkstatt erstreckt sich über eine Länge von 216 Metern und eine Breite von 72 Metern, wobei drei verschiedene Zonen eine Gesamtfläche von etwa 15 {3}} Quadratmetern abdecken. Zone A ist unserer kommenden Maschinenverarbeitungslinie gewidmet, deren Einweihung für 2024 geplant ist. Zone B beherbergt unsere Montagelinie für Wasserstofftankstellen mit einer Jahreskapazität von 20 Sätzen Wasserstofftankstellen. In der Zwischenzeit befindet sich in Zone C unsere Montagelinie für Wasserstoffproduktionsanlagen, die in der Lage ist, jährlich alkalische Wasserelektrolyseure mit einer Leistung von 2 GW zu produzieren. Der Bau dieser gesamten Produktionslinie begann im Januar 2023 und wurde zügig abgeschlossen, was sowohl die Agilität von SANY als auch unsere Kompetenz in der Geräteherstellung unter Beweis stellt.

1. Schweißroboter-Arbeitsplatz

Der Schweißroboter-Arbeitsplatz soll im September 2023 verfügbar sein und stellt einen Meilenstein des Forschungs- und Entwicklungsteams von SANY Robotics dar. Diese innovative Station integriert ein Fachwerk-Entstapelungssystem, ein Roboterhandhabungssystem, ein Laserschweißsystem, ein visuelles Erkennungssystem und ein Bipolarplatten-Wendesystem. Alle 5 Minuten wird eine Bipolarplatte nahtlos mit dem Elektrodennetz verschweißt und anschließend zügig über das Montageband transportiert. Dieser vollständig automatisierte Prozess, von der Zuführung bis zum Schweißen, steigert nicht nur die Effizienz, sondern standardisiert auch die Abläufe, minimiert Schäden an Bipolarplattenbeschichtungen während der Handhabung und Rotation und erhöht so die Produktqualität.

 

2. Punktschweißen von runden Tabletten

Die Verwendung von Punktschweißen zur Fixierung runder Tabletten übertrifft herkömmliche Klebemethoden in mehreren wichtigen Aspekten. Erstens eliminiert es Ablösungsprobleme, wie sie bei klebstoffbasierten Methoden beobachtet werden, bei denen die Alkalilösung beim Betrieb des Elektrolyseurs schmelzen und sich ablösen kann, was möglicherweise die Leistung beeinträchtigt. Zweitens gewährleistet es eine sichere Fixierung und verringert das Risiko einer Fehlausrichtung oder eines Sturzes während der Montage. Schließlich steigert es die Effizienz, da die Trocknungszeit, die mit herkömmlichen Klebemethoden einhergeht, entfällt, wodurch der Montageprozess rationalisiert wird.

 

3. PPS-Separator-CNC-Fräser

Der im August 2022 im Einsatz befindliche automatisierte PPS-Trennschneider A6-2525 bietet einen effektiven Arbeitsbereich von 2500 mm×2500 mm. Mit Infrarot-Positionierung, hochpräzisen linearen Führungsschienen und Ritzeln erreicht dieser Schneider eine Schnittgenauigkeit von ± 0,5 mm. Ausgestattet mit einem 12,5-kW-Ventilator zur Vakuumadsorption sorgt er durch die Abflachung des Separators für ein gleichmäßiges Schneiden. Eine automatische Zuführvorrichtung erleichtert das mannlose Zuführen und Schneiden, da der abgeflachte Separator nahtlos zur Schneidstation transportiert.

 

4. Elektroden-Laserschweißprozess

Die automatische Elektroden-Laserschweißmaschine ist seit dem 2. Dezember 2022 in Betrieb und verfügt über eine SPS-Steuerung sowie Kompatibilität für Elektroden im Bereich von 1.000 bis 2.500 mm. Durch den Einsatz einer robusten kontinuierlichen Laserschweißeinheit mit 1.500 W oder mehr gewährleistet es präzises Schweißen mit minimalen Unebenheiten in der Z-Achse. Der Drehtisch, der sich auf der Z-Achse um weniger als 0,5 mm verschiebt, sorgt dafür, dass die Brennweite während des Schweißens konstant bleibt. Das bogenförmige Design des Pressblocks sichert die Teile vollständig, während die Probeprogrammierung das automatische Überspringen von Hohlprofilen beim Schweißen ermöglicht. Das Laserschweißen mit Zusatzdraht garantiert eine Genauigkeit von ± 0,5 mm und sorgt für gleichmäßige, feine und glatte Schweißnähte mit einer strahlend weißen Oberfläche.

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