Fransk-sveitsisk prosjekt tester korrosjonsbestandige belegg for å redusere kostnader og kritiske materialer i PEM-elektrolysører for ren H2

Å redusere kostnadene for grønn hydrogen avhenger ikke bare av mer fornybar energi eller større elektrolysører. Det avhenger også av billigere materialer, mer stabile belegg og komponenter som tåler ekstreme kjemiske miljøer i årevis. Dette er målet med prosjektet. PROTIS, et fransk-sveitsisk initiativ dedikert til beskyttende titansuboksidbelegg for polymermembranelektrolysørkomponenter. Prosjektet involvererInstitutt for korrosjon av Brest, den LEMTA fra Universitetet i Lorraine ogEMPA, de sveitsiske føderale laboratoriene for materialvitenskap og -teknologi.

Utgangspunktet er industrielt snarere enn vitenskapelig. Ifølge materiale utgitt av EMPA kommer over 90 prosent av hydrogenet som produseres i dag fortsatt fra fossilt brensel, først og fremst naturgass. Den elektrolytiske prosessen drevet av fornybar elektrisitet er fortsatt mer bærekraftig, men anslås å være omtrent dobbelt så dyr som konvensjonell produksjon. Dette gapet ligger i et av de mest konkrete spørsmålene i fremtiden. bærekraft energi: å gjøre en teknologi konkurransedyktig uten å redusere dens pålitelighet, holdbarhet og kompatibilitet med industriell bruk.

Det korrekte bildet er imidlertid ikke et sveitsisk forskningsprosjekt med tilknyttede partnere. Profilen til Agence Nationale de la Recherche (nasjonalt forskningsbyrå) identifiserer PROTIS som et prosjekt koordinert av Michel Prestat fra Institut de la Corrosion (korrosjonsinstituttet). LEMTA presenterer det som et prosjekt som er født ut av PRCI-utlysningen, Projets de recherche collaborative internationale (internasjonale samarbeidsforskningsprosjekter), mellom Frankrike e Sveits, finansiert av ANR og Swiss National Science Foundation. Prosjektet forventes å vare i 42 måneder, fra 2023 til 2026, med en total finansiering på € 828 000, hvorav € 271 000 vil bli tildelt LEMTA. Denne institusjonelle arkitekturen endrer måten vi tolker innovasjon på: i kjernen er det ikke et enkelt laboratorium, men et nettverk av komplementære ferdigheter.

Fransk-sveitsisk styresett for å redusere CAPEX

PROTIS tar for seg et spesifikt hinder for den utbredte bruken av PEM-elektrolysører: deres avhengighet av titankomponenter og edelmetallbaserte belegg. Protonbyttermembranelektrolysører, eller PEMWEDe er effektive og godt egnet til å tilpasse seg svingninger i elektrisitet generert av vind- og solenergi. Denne egenskapen gjør dem attraktive for et energisystem med en økende andel av periodisk fornybar energi. Problemet er at det indre miljøet, spesielt på anodesiden, kombinerer surhet, høyt potensial og oksiderende forhold: en kontekst der mange metaller raskt brytes ned.

Den nyeste teknologien benytter ofte porøst transportlag og andre titankomponenter, beskyttet av platina- eller andre edelmetallbelegg. Dette valget garanterer styrke og konduktivitet, men øker kapitalkostnaden for stabelen. Prosjektets ANR-datablad beskriver tydelig målet: å erstatte dyre titan-PTL-er med 316L rustfritt stål, billigere, men beskyttet med tynne titansuboksidbelegg. Innovasjonen ligger derfor ikke bare i materialendringen, men også i evnen til å opprettholde ytelse og holdbarhet samtidig som komponentkostnadene reduseres.

Ekspertisefordelingen bidrar til å forstå prosjektets design. Institut de la Corrosion (Institutt for korrosjon) bidrar med sin ekspertise innen korrosjon, aggressive miljøer og vurdering av materialnedbrytning. EMPA bidrar med materialvitenskap og utvikling av belegg. LEMTA, gjennom sin gruppe for hydrogen- og elektrokjemiske systemer, deltar i den praktiske karakteriseringen for å vurdere hvordan mikrostrukturelle egenskaper påvirker ytelsen og holdbarheten til polymermembranelektrolysører. Denne rollefordelingen gjør PROTIS mer som en teknologioverføringsplattform enn et enkelt laboratorieeksperiment.

Titansuboksider og rustfritt stål mot korrosjon

Korrosjon er prosjektets fysiske kjerne. I PEMWE-er er ubeskyttet stål ikke et realistisk alternativ fordi det indre miljøet kan løse det opp og forurense det ultrarene vannet som mater enheten. Selv små mengder oppløste metaller kan bryte ned den katalysatorbelagte membranen, øke kontaktmotstanden eller kompromittere stabelens stabilitet. Derfor krever erstatning av titan et belegg som kan fungere som en barriere uten å bli en elektrisk hindring.

«I kjernen av elektrolysøren løser stålet seg ganske enkelt opp som sukker i en kopp te»

observere Konstantin Egorov, forsker ved EMPA.

Løsningen som PROTIS studerte gjelder titansuboksider, oksygenfattige forbindelser som kombinerer kjemisk stabilitet og god elektrisk ledningsevne. I formuleringen beskrevet av EMPA jobber forskeren Konstantin Egorov med en svært krystallinsk, oksygenfattig form av titanoksid, som er i stand til å tilby korrosjonsbestandighet og ladningstransport. I ANR-formuleringen omtales disse materialene som TinO2n-1, substøkiometriske titansuboksider som er egnet for å beskytte metallkomponenter i PEM-elektrolysører, spesielt PTL-er og bipolare plater.

Overgangen til rustfritt stål er også relevant for mekanisk design. Stål er billigere enn titan og enklere å maskinere, noe som gir mulighet for mer avanserte geometrier for vannfordeling og gassavgang. Kostnadsreduksjon er derfor ikke bare et spørsmål om råvarer: det gjelder også produksjonsevne, designfrihet og evnen til å integrere mer komplekse komponenter i industrielle stabler.

«I tillegg til å være mer kostnadseffektive, er stålkomponenter mye enklere å produsere, noe som gjør at ingeniører kan lage mer avanserte design som forbedrer cellenes ytelse.»

forklarer Egorov.

PVD og ALD adresserer to forskjellige beskyttelsesnivåer

En av de mest interessante delene av prosjektet gjelder sammenligningen mellom to avsetningsteknikker. fysisk dampavsetning, eller PVD, er allerede utbredt i industrien og brukes til å beskytte den ytterste overflaten av komponenten, den som er direkte utsatt for de sure forholdene i den katalysatorbelagte membranen. EMPA har annonsert at de har utviklet en metode for å belegge bipolar plate, en komponent som allerede har bestått korrosjonstester og kontroller i en fungerende elektrolysør.

Den andre tilnærmingen eratomlagsavsetning, eller ALD. ANR-spesifikasjonen tildeler det en annen oppgave: å dekke hele den indre overflaten av porøse transportlag på en konform måte, inkludert poreveggene. Skillet er avgjørende. PVD kan tilby grenseflatebeskyttelse på de mest eksponerte områdene, mens ALD tar sikte på integrert beskyttelse selv i porøse strukturer. Hvis det demonstreres på PTL-er i rustfritt stål, kan dette belegget løse et av de mest komplekse problemene med titanutskiftning: å forhindre korrosjon uten å lukke porene som vann og gass må passere gjennom.

«Vi har lykkes med å utvikle en metode for å belegge den første komponenten i PEMWE-elektrolysøren, den såkalte bipolare platen, med titanoksid.»

han sier fortsatt Konstantin Egorov.

«Det er viktig for oss å utvikle noe som industrien faktisk kan bruke.»

Overføringen fra den bipolare platen til det porøse transportlaget er imidlertid mer delikat. En flat eller relativt tilgjengelig overflate kan belegges og kontrolleres med etablerte metoder; en porøs struktur krever imidlertid ensartethet i dybden. Beskyttelsen må være kontinuerlig, fordi et eksponert område blir et korrosjonspunkt. Samtidig må ikke belegget blokkere kanalene, ellers blir den elektrokjemiske funksjonen til PTL-en kompromittert. Dette fremhever verdien av samarbeidet mellom materialer, korrosjon og diagnostikk på stedet.

«Belegg av porøse materialer byr på mange utfordringer»

observerer Egorov.

«Porene må være jevnt dekket slik at det underliggende materialet ikke korroderer, men samtidig må de ikke blokkeres.»

Fra akselerert testing til industrikrevd holdbarhet

Arbeidsprogrammet beskrevet av ANR viser en progresjon fra mikrostrukturell inspeksjon til testing under driftsforhold. Beleggene studeres med høyoppløselig elektronmikroskopi og analytiske teknikker som Ramanspektroskopi, røntgendiffraksjon, fotoelektronspektroskopi og komposisjonsanalyse. Målet er å korrelere dekning, nanostruktur, porøsitet og tykkelse med beskyttende egenskaper i miljøer som simulerer den anodiske siden av PEMWE.

Ex situ-korrosjonstester utføres i fortynnede svovelsyreløsninger som inneholder fluoridanioner, et valg som er utformet for å reprodusere forhold som er representative for det anodiske miljøet. Belagte PTL-er med lovende egenskaper blir deretter utsatt for in-operando-tester for å evaluere beleggets innvirkning på elektrolyseytelse og holdbarhet. ANR-databladet nevner også akselererte aldringstester på opptil to måneder, som skal sammenlignes med en forventet industriell levetid på over 50 000 timer for PEMWE-systemer.

Dette trinnet er viktig for bedrifter fordi det skiller materialinnovasjon fra enkel initial ytelse. Et belegg kan virke effektivt i innledende målinger, men mislykkes når det utsettes for langvarig sykling, spenningsforskjeller, gasser, surhet og termisk stress. Evalueringen etter døden etter demontering av elektrolysøren tjener nettopp til å verifisere om nanostrukturen forblir stabil, om korrosjonsprodukter forblir fanget, eller om metalliske elementer fra rustfritt stål forurenser membranen.

Fra dette perspektivet er LEMTAs rolle ikke marginal. Karakteriseringer under drift lar oss knytte beleggets mikrostruktur til cellens faktiske oppførsel. EMPAs ekspertise innen materialforberedelse og Institut de la Corrosions ekspertise innen evaluering av korrosjonsmekanismer kompletteres dermed av diagnostikk som fokuserer på elektrokjemisk ytelse under drift. Det forventede resultatet er ikke bare et mer motstandsdyktig materiale, men en mer robust forståelse av forholdet mellom avsetningsprosess, beleggstruktur og industriell ytelse.

En europeisk brikke i den grønne hydrogenforsyningskjeden

PROTIS løser ikke den grønne hydrogenøkonomien i seg selv, men den adresserer et veldig spesifikt punkt i verdikjeden. Hvis PTL-er og beskyttede bipolare plater i rustfritt stål kan erstatte titankomponenter uten å miste holdbarhet, kan PEMWE-stabler redusere noe av CAPEX og komme nærmere mer konkurransedyktig produksjon. Denne fordelen ville være spesielt betydelig i et marked der elektrolyse må konkurrere med modne og fortsatt kostnadseffektive prosesser basert på fossilt brensel.

Historien er også et eksempel på distribuert innovasjon. Frankrike bidrar med den vitenskapelige koordineringen av Institut de la Corrosion og med den elektrokjemiske ekspertisen til LEMTA; Sveits bringer med seg EMPAs ekspertise innen materialvitenskap og utvikling av industrialiserbare belegg. Samarbeidet stammer fra et bilateralt ANR-SNSF-rammeverk, ikke et generisk europeisk rammeverk. Dette er en viktig detalj fordi den demonstrerer hvordan anvendt hydrogenforskning ofte foregår gjennom målrettede grenseoverskridende nettverk, bygget rundt spesifikke tekniske problemer.

For sektoren er lærdommen klar. Konkurranseevnen til grønn hydrogen vil avhenge av storskala infrastruktur, tilgjengeligheten av fornybar energi og industripolitikk, men også av tilsynelatende usynlige komponenter. Å fore en pore uten å lukke den, beskytte stål uten å redusere dens ledningsevne, erstatte dyre metaller uten å introdusere nye sårbarheter: dette er små, men avgjørende skritt. Disse detaljene måler avstanden mellom en lovende teknologi og en forsyningskjede som er i stand til skalert produksjon.

Prosjektet forventes å være avsluttet i 2026. Etter denne fasen, ifølge EMPA, tar forskerne sikte på å involvere industripartnere for å bringe teknologien nærmere kommersialisering. Forsiktighet er fortsatt nødvendig: veien fra laboratorietesting til en markedsførbar stabel er lang og krever validering av holdbarhet, kostnader, repeterbarhet og produksjonsintegrasjon. Men PROTIS peker i en konkret retning: å gjøre PEM-elektrolyse mindre avhengig av dyre materialer, mer kompatibel med industrielle prosesser og nærmere fremtidens mål. bærekraft energisk.

Her er tre innsikter som kan interessere deg:

Hvordan albedo driver bifacial fotovoltaisk effektivitet
Det innovative søket etter ... jern for kostholdet vårt
Smarte elektroder og CO2: Nye drivstoff fra maskinlæring