Effekt af vandkvalitet på PEM Electrolyzer -ydeevne

Blandt vedvarende energikilder er brintproduktion ved elektrolyse meget lovende på grund af dets potentiale som et energilagringsmedium.Proton Exchange Membrane (PEM)er en af ​​mainstream -teknologierne til brintproduktion ved elektrolyse på grund af dens fordele såsom høj effektivitet, stor strømtæthed, lavtemperaturområde og hurtig responshastighed. Det meste af forskningen om brintproduktion afPEM -elektrolyseFokuserer på demonstrationen af ​​brintproduktion ved PEM -elektrolyse, udvikling af nye katalysatorer og udviklingen af ​​nyeProtonudvekslingsmembranElektrolytter. Imidlertid forbliver optimering af systemet og fodervand en udfordring. Derfor undersøger denne undersøgelse effekten af ​​vandkvalitet på energiforbruget afPEM -elektrolysere, med fokus på total opløste faste stoffer (TDS), vand -pH og ledningsevne (selvfølgelig påvirker disse tre faktorer ofte hinanden).

Effektiviteten og energiforbruget afPEM -elektrolysereAfhænger af kvaliteten af ​​det indflydelsesrige vand. Denne undersøgelse validerede tre parametre, der påvirker vandegenskaber: pH (3, 7, 9), total opløste faste stoffer (TDS) (300 ppm, 600 ppm, 900 ppm) og ledningsevne (ledningsevne: 30ms/cm, 70ms/cm, 100ms/cm) for at forstå og optimere processen med at producere hydrogen ved hjælp af ved anvendelsePEM -elektrolysere. Resultaterne viste, at mængden af ​​produceret brint var signifikant påvirket af pH, total opløste faste stoffer og ledningsevne, og det optimale niveau for hver variabel blev bestemt ved omfattende test.

Arbejdsprincippet for PEM -elektrolysere er at elektrokemisk adskille vand i ilt og brint ved deres respektive elektroder. Da vand er mediet til produktion af brint, kan dets kvalitet påvirke resultaterne af elektrolyseprocessen. Vandkvaliteter, der kan påvirke effektiviteten af ​​PEM -elektrolysatorer, inkluderer pH, total opløste faste stoffer (TDS) og ledningsevne. For eksempel påvirker pH -værdien af ​​elektrolytten produktionen af ​​brint og energiforbruget af PEM -elektrolyseren; En lavere pH -værdi kan reducere den samlede iltreduktionsreaktion (iltudviklingsreaktion: OER) potentiale og derved reducere energiforbruget, men der er et problem med membrannedbrydning; En anden vigtig faktor er ledningsevne, lav ledningsevne vil også reducere det samlede potentiale og derved reducere den krævede energi, og høj ledningsevne vil også skade membranen; Den aktive overpotential mellem brint- og iltreduktionsreaktioner har også en asymmetrisk og afhængig fordeling på pH. Derfor er det nødvendigt at optimere pH -værdien, TDS -værdien og ledningsevnen for at sikre forbedring af PEM -elektrolysens ydelse. American Society for Testing and Materials (ASTM) anbefaler, at kommercielle PEM -elektrolysatorer bruger type I deioniseret vand, det vil sige vand med et samlet organisk kulstofindhold på mindre end 50 ppb, en resistivitet på mere end 1 MΩ.cm og et natrium- og chloridindhold på mindre end 5 ug/l. Imidlertid er næsten alle vandressourcer urene, hvilket betyder, at vandrensning for PEM -elektrolysatorer kræver ekstra omkostninger. En undersøgelse af virkningen af ​​TDS på fotovoltaisk celleeffektivitet viste, at jo højere TDS-vandniveauet (0-2000 ppm), jo bedre er udbyttet, mens når TDS-niveauet faldt til nul, var der ikke noget udbytte. Tilsvarende viste resultaterne af en undersøgelse ved anvendelse af kunstigt flodvand (blødt vand) som elektrolytten af ​​en PEM -elektrolysator, at elektrolysatorens ydeevne faldt på grund af stigningen i calcium- og magnesiumionkoncentrationer. Cellens ydeevne og mekaniske levetid for PEM -elektrolysatoren blev reduceret.

1. Effekten af ​​pH -værdi på gasproduktion og Electrolyzer -energiforbrug

1.1. Effekten af ​​pH -værdi på gasproduktion

Efterhånden som pH -værdien af ​​elektrolytten ændres, ændres mængden af ​​brint og ilt også ændringer. Funktionsforholdet mellem mængden af ​​produceret brint og ilt og tids- og pH -værdien, ændrer pH -værdien fra 3 til 11 med regelmæssige intervaller. Interessant nok viser de oprindelige resultater, at mængden af ​​brint og ilt producerede falder, når pH -værdien stiger fra 3 til 7, hvilket indikerer, at elektrolyseprocessen kan være langsom ved neutral pH. Overraskende viste resultaterne, at produktionen af ​​brint og ilt steg markant ved en pH -værdi på 11, hvilket indikerer, at vandprøvens alkalinitet kan bidrage til produktionen af ​​brint og ilt.

1.2 Effekt af pH på energiforbruget

PH i elektrolytten påvirker systemets energiforbrug. PH påvirker ledningsevnen af ​​elektrolytten, hvilket igen påvirker effektiviteten af ​​elektrolyseprocessen. Det optimale pH -interval for PEM -elektrolysatorer er typisk mellem 7 og 9. Jo højere pH, jo mere ledende er elektrolytten, hvilket kan forbedre effektiviteten af ​​elektrolyseprocessen. Men hvis pH er for høj, kan membranen i elektrolysatoren blive beskadiget, hvilket resulterer i nedsat ydelse og øget energiforbrug. På den anden side, hvis pH er for lav, kan ledningsevnen for elektrolytten falde, hvilket resulterer i nedsat effektivitet og øget energiforbrug. Derudover kan for lav pH -værdi få membranen til at tørre ud, hvilket også kan reducere ydelsen og øge energiforbruget. Energiforbruget af PEM -elektrolysatoren øges ved lavere pH -værdier. Ved en pH på 8 er energiforbruget det laveste ved 45 kWh/m3 H2. Når pH -værdien øges eller falder, begynder energiforbruget at stige.

2. Effekt af total opløste faste stoffer (TDS) på gasproduktion og energiforbrug

2.1. Effekt af TDS på gasproduktion

Ved evaluering af tre forskellige TDS -koncentrationer er 300 ppm en lav koncentration, 600 ppm er en medium koncentration, og 900 ppm er en høj koncentration. Resultaterne er i overensstemmelse med andre undersøgelser. Resultaterne viser, at når TDS -koncentrationen øges, øges produktionen af ​​brint og ilt, hvilket kan være en katalysator til dannelse af brint. Det kan konkluderes, at produktionen af ​​brint fra vand er mere gunstig ved højere TDS -niveauer, mens produktionen er begrænset i lave koncentrationer, hvilket indikerer, at der ikke kan produceres brint på nul TDS -niveauer:

2.2 Effekt af TDS på energiforbruget

Samlede opløste faste stoffer (TDS) har en betydelig indflydelse på energiforbruget af protonudvekslingsmembran (PEM) elektrolysere. TDS henviser til koncentrationen af ​​alle uorganiske og organiske stoffer opløst i vand. Når disse stoffer er til stede i vandet, der bruges i elektrolysatoren, påvirker de elektrolysens ydelse og effektivitet. TDS i vand øger ledningsevnen i vandet, hvilket fører til en stigning i den elektrolytiske cellespænding, der kræves til elektrolyse. Stigningen i cellespænding fører til en stigning i energiforbruget for elektrolysatoren. Derudover kan TDS forårsage skalering af elektroderne og membranerne, hvilket reducerer effektiviteten af ​​elektrolyseren og øger energiforbruget yderligere. For at mindske virkningen af ​​TDS på energiforbruget er det nødvendigt at sikre, at vandet, der bruges i PEM -elektrolysatoren, er af høj renhed og lav TDS -koncentration. Vandbehandlingsteknologier såsom omvendt osmose og deionisering kan bruges til at fjerne TD'er fra vandet og derved forbedre effektiviteten af ​​PEM -elektrolysatorer og reducere deres energiforbrug.

3. Effekt af ledningsevne på gasproduktion

En anden nøglefaktor, der påvirker energiforbruget hos PEM -elektrolysatorer, er ledningsevne. Reduktion af den overpotentiale, der kræves for anode OER, kan reducere energibehovet, hvilket afspejles i det faktum, at højere ledningsevne også betyder højere ionkoncentrationer i elektrolytopløsningen. Imidlertid øger høj ledningsevne også chancen for forringelse af membranen og øger den krævede energi til pumpning. Produktionen af ​​brint afhænger i vid udstrækning af ledningsevne, og adskillige undersøgelser har vist, at der ved hjælp af forskellige løsninger til at øge ledningsevnen kan opnås forskellige ledningsevne og derved øge brintproduktionen.

4. Effekt af forskellige vandkvaliteter på PEM Electrolyzer Energy forbrug

Havvand, godt vand og deioniseret vand er tre forskellige typer vand, der kan påvirke energibehovet i en protonudvekslingsmembran (PEM) elektrolyser. Havvand indeholder en stor mængde opløste salte, mineraler og andre forurenende stoffer. Fordi disse forurenende stoffer øger ledningsevnen i vandet, øges elektrolysens modstand. Da der kræves mere energi for at overvinde modstanden, bremser elektrolyseprocessen. For at tilvejebringe den krævede strøm kræves en højere spænding, hvilket også fører til en samlet stigning i energiforbruget. Nå, vand er normalt meget lavere i opløste salte og forurenende stoffer end havvand. Mineraler og andre stoffer, der kan forstyrre elektrolyse, kan stadig eksistere. Præcis hvordan sammensætningen af ​​brøndvand påvirker energiforbruget er stadig usikker på en vis grad. Den energi, der kræves til behandling af godt vand, er generelt mindre end den energi, der kræves til behandling af havvand eller deioniseret vand. Deioniseret vand er vand, der har fået mineralioner fjernet gennem deioniseringsprocessen. Det kaldes også deioniseret vand og destilleret vand. Deioniseret vand har en meget lavere ledningsevne end havvand og brøndvand. Derfor har den en lavere modstand under elektrolyseprocessen og kræver mindre energi for at producere den samme strøm. Brug af deioniseret vand i PEM -elektrolysere kan forbedre energieffektiviteten. Deioniseret vand har dårlig ledningsevne, hvilket kan hjælpe med at spare energi, men det indeholder ikke nogen ioner, der kræves til de elektrokemiske reaktioner i elektrolysatoren. Krav til vandkvalitet skal overvejes omhyggeligt baseret på det specifikke design og drift af PEM -elektrolysersystemet, fordi disse ioner er vigtige for at opretholde ydelsen og levetiden for elektrolyserkomponenterne.

Kort sagt, i PEM -vandelektrolyse, er vi normalt mere opmærksomme på selve Electrolyzer og ignorerer vigtigheden af ​​BOP. Mange mennesker synes også, at BOP af PEM er enklere end alkalisk. Selv om PEM ikke kræver et stort gas-væske-separationssystem som alkalisk, er det også meget vigtigt at håndtere kvaliteten af ​​rent vand. Håndtering af kvaliteten af ​​rent vand sikrer ikke kun effektiv drift, men hjælper også med at øge levetiden.