Effekt av vannkvalitet på PEM Electrolyzer -ytelse

Blant fornybare energikilder er hydrogenproduksjon ved elektrolyse veldig lovende på grunn av potensialet som et energilagringsmedium.Proton Exchange Membrane (PEM)er en av mainstream -teknologiene for hydrogenproduksjon ved elektrolyse på grunn av fordeler som høy effektivitet, stor strømtetthet, lav temperaturområde og hurtig responshastighet. Det meste av forskningen på hydrogenproduksjon avPEM -elektrolyseFokuserer på demonstrasjon av hydrogenproduksjon ved PEM -elektrolyse, utvikling av nye katalysatorer og utvikling av nyeProtonutvekslingsmembranElektrolytter. Imidlertid er optimaliseringen av systemet og fôrvannet en utfordring. Derfor undersøker denne studien effekten av vannkvalitet på energiforbruket avPEM Electrolyzers, med fokus på total oppløste faste stoffer (TDS), vann PH og konduktivitet (selvfølgelig påvirker disse tre faktorene ofte hverandre).

Effektiviteten og energiforbruket avPEM ElectrolyzersAvhengig av kvaliteten på det påvirkende vannet. Denne studien validerte tre parametere som påvirker vannegenskaper: pH (3, 7, 9), totaloppløste faste stoffer (TDS) (300 ppm, 600 ppm, 900 ppm) og konduktivitet (konduktivitet: 30ms/cm, 70ms/cm, 100ms/cm) for å forstå og optimalisere prosessen med å produsere hydrogen ved brukPEM Electrolyzers. Resultatene viste at mengden av hydrogenprodusert var betydelig påvirket av pH, total oppløst faste stoffer og konduktivitet, og det optimale nivået av hver variabel ble bestemt gjennom omfattende testing.

Arbeidsprinsippet for PEM -elektrolysere er å elektrokjemisk skille vann i oksygen og hydrogen ved deres respektive elektroder. Siden vann er mediet for å produsere hydrogen, kan dets kvalitet påvirke resultatene av elektrolyseprosessen. Vannkvaliteter som kan påvirke effektiviteten til PEM -elektrolysere inkluderer pH, total oppløste faste stoffer (TDS) og konduktivitet. For eksempel påvirker pH -verdien av elektrolytten produksjonen av hydrogen og energiforbruket til PEM -elektrolyzer; En lavere pH -verdi kan redusere den totale oksygenreduksjonsreaksjonen (oksygenutviklingsreaksjon: OER) potensial, og dermed redusere energiforbruket, men det er et problem med nedbrytning av membran; En annen viktig faktor er konduktivitet, lav konduktivitet vil også redusere det generelle potensialet, og dermed redusere den nødvendige energien, og høy ledningsevne vil også skade membranen; Det aktive overpotensialet mellom hydrogen- og oksygenreduksjonsreaksjoner har også en asymmetrisk og avhengig fordeling av pH. Derfor er det nødvendig å optimalisere pH -verdien, TDS -verdien og konduktiviteten for å sikre forbedring av ytelsen til PEM -elektrolyzer. American Society for Testing and Materials (ASTM) anbefaler at kommersielle PEM -elektrolyzere bruker type I avionisert vann, det vil si vann med et totalt organisk karboninnhold på mindre enn 50 ppb, en resistivitet på mer enn 1 MΩ.cm, og et natrium og kloridinnhold på mindre enn 5 ug/l. Imidlertid er nesten alle vannressurser uren, noe som betyr at vannrensing for PEM -elektrolyzere krever ekstra kostnader. En studie om effekten av TDS på fotovoltaisk celleeffektivitet viste at jo høyere TDS-nivå av vann (0-2000 ppm), jo bedre var utbyttet, mens når TDS-nivået falt til null, var det ingen utbytte. Tilsvarende viste resultatene fra en studie som bruker kunstig elvevann (mykt vann) som elektrolytten til en PEM -elektrolyzer at ytelsen til elektrolyzeren falt på grunn av økningen i kalsium- og magnesiumionkonsentrasjoner. Celleytelsen og den mekaniske levetiden til PEM -elektrolyzer ble redusert.

1. Effekten av pH -verdi på gassproduksjon og energiforbruk

1.1. Effekten av pH -verdi på gassproduksjon

Etter hvert som pH -verdien for elektrolytten endres, endres også mengden av hydrogen og oksygen som produseres. Funksjonsforholdet mellom mengden hydrogen og oksygen produsert og tid og pH -verdi, pH -verdien endres fra 3 til 11 med jevne mellomrom. Interessant nok viser de opprinnelige resultatene at mengden hydrogen og oksygen produsert synker når pH -verdien stiger fra 3 til 7, noe som indikerer at elektrolyseprosessen kan være langsom ved nøytral pH. Overraskende viste resultatene at produksjonen av hydrogen og oksygen økte betydelig ved en pH på 11, noe som indikerer at alkaliniteten til vannprøven kan bidra til produksjon av hydrogen og oksygen.

1.2 Effekt av pH på energiforbruket

PH for elektrolytten påvirker energiforbruket til systemet. PH påvirker konduktiviteten til elektrolytten, som igjen påvirker effektiviteten av elektrolyseprosessen. Vanligvis er det optimale pH -området for PEM -elektrolysere mellom 7 og 9. Jo høyere pH, desto mer ledende er elektrolytten, noe som kan forbedre effektiviteten til elektrolyseprosessen. Imidlertid, hvis pH er for høy, kan membranen i elektrolyzer bli skadet, noe som resulterer i redusert ytelse og økt energiforbruk. På den annen side, hvis pH er for lav, kan ledningsevnen til elektrolytten avta, noe som resulterer i redusert effektivitet og økt energiforbruk. I tillegg kan for lav pH føre til at membranen tørker ut, noe som også kan redusere ytelsen og øke energiforbruket. Energiforbruket til PEM -elektrolyzer øker ved lavere pH -verdier. Ved en pH på 8 er energiforbruket det laveste, ved 45 kWh/m3 H2. Når pH -verdien øker eller avtar, begynner energiforbruket å øke.

2. Effekt av total oppløst faste stoffer (TDS) på gassproduksjon og energiforbruk

2.1. Effekt av TDS på gassproduksjon

Ved evaluering av tre forskjellige TDS -konsentrasjoner er 300 ppm en lav konsentrasjon, 600 ppm er en middels konsentrasjon, og 900 ppm er en høy konsentrasjon. Resultatene stemmer overens med andre studier. Resultatene viser at når TDS -konsentrasjonen øker, øker produksjonen av hydrogen og oksygen, noe som kan være en katalysator for dannelse av hydrogen. Det kan konkluderes med at produksjonen av hydrogen fra vann er gunstigere på høyere TDS -nivåer, mens produksjonen er begrenset ved lave konsentrasjoner, noe som indikerer at ingen hydrogen kan produseres ved null TDS -nivåer:

2.2 Effekt av TDS på energiforbruket

Totalt oppløste faste stoffer (TDS) har en betydelig innvirkning på energiforbruket av protonutvekslingsmembran (PEM) elektrolysere. TDS refererer til konsentrasjonen av alle uorganiske og organiske stoffer oppløst i vann. Når disse stoffene er til stede i vannet som brukes i elektrolyzer, påvirker de ytelsen og effektiviteten til elektrolyzer. TDS i vann øker konduktiviteten til vannet, noe som fører til en økning i den elektrolytiske cellespenningen som kreves for elektrolyse. Økningen i cellespenning fører til en økning i energiforbruket til elektrolyzer. I tillegg kan TDS forårsake skalering av elektrodene og membranene, noe som reduserer effektiviteten til elektrolyzer og øker energiforbruket ytterligere. For å dempe effekten av TDS på energiforbruket, er det nødvendig å sikre at vannet som brukes i PEM -elektrolyzer er av høy renhet og lav TDS -konsentrasjon. Vannbehandlingsteknologier som omvendt osmose og avionisering kan brukes til å fjerne TDS fra vann, og dermed forbedre effektiviteten til PEM -elektrolysere og redusere energiforbruket.

3. Effekt av konduktivitet på gassproduksjon

En annen nøkkelfaktor som påvirker energiforbruket av PEM -elektrolyzere er konduktivitet. Å redusere det overpotensielle som kreves for anode OER kan redusere energibehovet, noe som gjenspeiles i det faktum at høyere konduktivitetsverdier også betyr høyere ionekonsentrasjoner i elektrolyttløsningen. Imidlertid øker høy konduktivitet også sjansen for membranforringelse og øker energien som kreves for pumping. Produksjonen av hydrogen avhenger i stor grad av konduktivitet, og flere studier har vist at ved å bruke forskjellige løsninger for å øke konduktiviteten, kan forskjellige konduktiviteter oppnås, og dermed øke hydrogenproduksjonen.

4. Effekt av forskjellige vannkvaliteter på PEM Electrolyzer energiforbruk

Sjøvann, brønnvann og avionisert vann er tre forskjellige typer vann som kan påvirke energikravene til en protonutvekslingsmembran (PEM) elektrolyzer. Sjøvann inneholder en stor mengde oppløste salter, mineraler og andre forurensninger. Fordi disse forurensningene øker konduktiviteten til vannet, øker motstanden til elektrolyzer. Fordi mer energi er nødvendig for å overvinne motstanden, bremser elektrolyseprosessen. For å gi den nødvendige strømmen, er det nødvendig med en høyere spenning, noe som også fører til en generell økning i energibruk. Vann er vanligvis mye lavere i oppløste salter og forurensninger enn sjøvann. Mineraler og andre stoffer som kan forstyrre elektrolyse kan fremdeles eksistere. Nøyaktig hvordan sammensetningen av brønnvann påvirker energibruken er fremdeles usikker i en viss grad. Energien som kreves for å behandle brønnvann er generelt mindre enn energien som kreves for å behandle sjøvann eller avionisert vann. Avionisert vann er vann som har fått mineralioner fjernet gjennom avioniseringsprosessen. Det kalles også avionisert vann og destillert vann. Avionisert vann har mye lavere konduktivitet enn sjøvann og brønnvann. Derfor har den en lavere motstand under elektrolyseprosessen og krever mindre energi for å produsere den samme strømmen. Å bruke avionisert vann i PEM -elektrolyzere kan forbedre energieffektiviteten. Avionisert vann har dårlig konduktivitet, noe som kan bidra til å spare energi, men det inneholder ingen ioner som kreves for elektrokjemiske reaksjoner i elektrolyzer. Krav til vannkvalitet bør vurderes nøye basert på den spesifikke utformingen og driften av PEM Electrolyzer -systemet, fordi disse ionene er viktige for å opprettholde ytelsen og levetiden til elektrolyzer -komponentene.

Kort sagt, i PEM -vannelektrolyse, legger vi vanligvis mer vekt på selve elektrolyzer og ignorerer viktigheten av BOP. Mange mennesker tror også at BOP av PEM er enklere enn alkalisk. Selv om PEM ikke krever et stort gass-væske-separasjonssystem som alkalisk, er det også veldig viktig å håndtere kvaliteten på rent vann. Å håndtere kvaliteten på rent vann sikrer ikke bare effektiv drift, men hjelper også til å øke levetiden.