Veekvaliteedi mõju PEM -elektrolüsassi jõudlusele

Taastuvate energiaallikate hulgas on vesiniku tootmine elektrolüüsi teel väga paljutõotav tänu selle potentsiaalile energiasalvestuse keskkonnana.Prootonivahetusmembraan (PEM)on üks vesiniku tootmise tavapäraseid tehnoloogiaid elektrolüüsi teel, kuna sellised eelised nagu kõrge efektiivsus, suur voolutihedus, madala temperatuuri vahemik ja kiire reageerimise kiirus. Suurem osa vesiniku tootmise uuringutestPEM elektrolüüskeskendub vesiniku tootmise demonstreerimisele PEM -elektrolüüsi, uute katalüsaatorite väljatöötamisele ja uute väljatöötamiseleprootonivahetusmembraanelektrolüüdid. Süsteemi ja söödavee optimeerimine on siiski väljakutseks. Seetõttu uurib see uuring vee kvaliteedi mõju energiatarbimiselePEM -elektrolütserid, keskendudes lahustunud tahketele ainetele (TDS), vee pH -le ja juhtivusele (muidugi mõjutavad need kolm tegurit sageli üksteist).

Tõhusus ja energiatarbiminePEM -elektrolütseridSõltuvad sissetuleva vee kvaliteedist. Selles uuringus kinnitas kolm veeomadusi mõjutavaid parameetreid: pH (3, 7, 9), lahustunud tahked ained (TDS) (300 pm, 600pm, 900 ppm) ja juhtivust (juhtivus: 30 ms/cm, 70ms/cm, 100ms/cm), kasutades vesinikkePEM -elektrolütserid. Tulemused näitasid, et toodetud vesiniku kogust mõjutas märkimisväärselt pH, lahustunud tahked ained ja juhtivus ning iga muutuja optimaalne tase määrati ulatusliku testimise abil.

PEM -elektrolüüside tööpõhimõte on elektrokeemiliselt eraldada vesi nende elektroodide hapniku ja vesinikuks. Kuna vesi on vesiniku tootmiseks keskkond, võib selle kvaliteet mõjutada elektrolüüsiprotsessi tulemusi. Veeomadused, mis võivad mõjutada PEM -elektrolüüside efektiivsust, hõlmavad pH -d, lahustunud tahkeid aineid (TDS) ja juhtivust. Näiteks mõjutab elektrolüüdi pH väärtus vesiniku tootmist ja PEM -elektrolüüseri energiatarbimist; Madalam pH väärtus võib vähendada üldist hapniku redutseerimise reaktsiooni (hapniku evolutsioonireaktsioon: OER), vähendades sellega energiatarbimist, kuid membraani lagunemise probleem on olemas; Teine oluline tegur on juhtivus, madal juhtivus vähendab ka üldist potentsiaali, vähendades sellega vajalikku energiat ja suure juhtivus kahjustab ka membraani; Vesiniku ja hapniku redutseerimise reaktsioonide aktiivsel ülepotentsiaalil on ka asümmeetriline ja sõltuv jaotus pH -l. Seetõttu on vaja PEM -i elektrolüsaüüri jõudluse paranemise tagamiseks optimeerida pH väärtus, TDS väärtus ja juhtivus. Ameerika testimis- ja materjalide selts (ASTM) soovitab kommertslikul PEM -elektrolüüseritel kasutada I tüüpi deioniseeritud vett, see tähendab vett kogu orgaanilise süsiniku sisaldusega alla 50 ppB, vastupidavus üle 1 MΩ.cm ning naatriumi ja kloriidisisaldust vähem kui 5 ug/l. Peaaegu kogu veeressursid on siiski ebapuhas, mis tähendab, et PEM -elektrolüüside vee puhastamine nõuab lisakulusid. Uuring TDS-i mõju kohta fotogalvaanilise raku efektiivsusele näitas, et mida suurem on TDS-i vee tase (0–2000 ppm), seda parem on saagis, kui TDS-i tase nullini langes, saagisi ei olnud. Sarnaselt näitasid PEM -elektrolüüsielektrolüütina tehisjõe vett (pehme vett) kasutatud uuringu tulemusi, et elektrolüüseri jõudlus vähenes kaltsiumi ja magneesiumi ioonide kontsentratsioonide suurenemise tõttu. Rakkude jõudlus ja PEM -i elektrolüsaatorite mehaaniline eluiga vähenes.

1. pH väärtuse mõju gaasi tootmisele ja elektrolüüsienergia tarbimisele

1.1. PH väärtuse mõju gaasi tootmisele

Elektrolüütide pH väärtus muutub ka vesiniku ja hapniku kogus. Funktsioonide seos toodetud vesiniku ja hapniku hulga ning aja ja pH väärtuse vahel muutub pH väärtus regulaarselt 3 -lt 11 -le. Huvitav on see, et esialgsed tulemused näitavad, et saadud vesiniku ja hapniku kogus väheneb, kui pH väärtus tõuseb 3 -lt 7 -le, mis näitab, et elektrolüüsiprotsess võib olla neutraalse pH korral aeglane. Üllataval kombel näitasid tulemused, et vesiniku ja hapniku tootmine suurenes märkimisväärselt pH -ga 11, mis näitab, et veeproovi aluselisus võib aidata kaasa vesiniku ja hapniku tootmisele.

1.2 PH mõju energiatarbimisele

Elektrolüüdi pH mõjutab süsteemi energiatarbimist. PH mõjutab elektrolüüdi juhtivust, mis omakorda mõjutab elektrolüüsiprotsessi tõhusust. Tavaliselt on PEM -elektrolüüside optimaalne pH -vahemik vahemikus 7 kuni 9. Mida kõrgem pH on, seda juhtivam on elektrolüüt, mis võib parandada elektrolüüsiprotsessi efektiivsust. Kui aga pH on liiga kõrge, võib elektrolüüseri membraan kahjustada, mille tulemuseks on jõudlus ja suurenenud energiatarbimine. Teisest küljest, kui pH on liiga madal, võib elektrolüüdi juhtivus väheneda, põhjustades efektiivsuse vähenemist ja energiatarbimist suurenenud. Lisaks võib liiga madal pH põhjustada membraani kuivamise, mis võib samuti vähendada jõudlust ja suurendada energiatarbimist. PEM -elektrolüüsri energiatarbimine suureneb madalama pH väärtuste korral. PH juures 8 on energiatarbimine madalaim, 45kWh/m3 H2 juures. Kui pH väärtus suureneb või väheneb, hakkab energiatarbimine suurenema.

2. Lahustunud tahkete ainete (TD) mõju gaasi tootmisele ja energiatarbimisele

2.1. TDS -i mõju gaasi tootmisele

Kolme erineva TDS kontsentratsiooni hindamisel on 300 ppm madal kontsentratsioon, 600 ppm on keskmise kontsentratsioon ja 900 ppm on kõrge kontsentratsioon. Tulemused on kooskõlas teiste uuringutega. Tulemused näitavad, et TDS -i kontsentratsiooni suurenedes suureneb vesiniku ja hapniku tootmine, mis võib olla vesiniku moodustumise katalüsaator. Võib järeldada, et vesiniku tootmine veest on kõrgematel TDS -i tasemetel soodsam, samas kui tootmine on piiratud madalatel kontsentratsioonidel, mis näitab, et vesinikku ei tohi TDS -i null tasemel tekitada:

2.2 TDS -i mõju energiatarbimisele

Lahustatud tahkete ainete koguarv (TDS) mõjutab märkimisväärselt prootonivahetusmembraani (PEM) elektrolüüside energiatarbimist. TDS viitab kõigi vees lahustunud anorgaaniliste ja orgaaniliste ainete kontsentratsioonile. Kui need ained esinevad elektrolüsaas kasutatavas vees, mõjutavad need elektrolüüsri jõudlust ja tõhusust. TD -d vees suurendab vee juhtivust, mis põhjustab elektrolüüsiks vajaliku elektrolüütilise raku pinge suurenemist. Rakkude pinge suurenemine põhjustab elektrolüüsri energiatarbimise suurenemist. Lisaks võib TDS põhjustada elektroodide ja membraanide skaleerimist, mis vähendab elektrolüsaari efektiivsust ja suurendab veelgi energiatarbimist. TDS -i mõju energiatarbimisele leevendamiseks on vaja tagada, et PEM -i elektrolüsaas kasutatav vesi oleks kõrge puhtusega ja madala TDS -i kontsentratsiooniga. TD -de veest eemaldamiseks saab kasutada selliseid veepuhastustehnoloogiaid nagu pöördosmoos ja deioniseerimine, parandades sellega PEM -elektrolüüside efektiivsust ja vähendades nende energiatarbimist.

3. Juhtivuse mõju gaasi tootmisele

Teine võtmetegur, mis mõjutab PEM -elektrolüüside energiatarbimist, on juhtivus. Anoodi OER jaoks vajaliku ülepotentsiaali vähendamine võib vähendada energiavajadust, mis kajastub tõsiasjas, et kõrgemad juhtivuse väärtused tähendavad ka suuremat ioonide kontsentratsiooni elektrolüütide lahuses. Kuid kõrge juhtivus suurendab ka membraani halvenemise võimalust ja suurendab pumpamiseks vajalikku energiat. Vesiniku tootmine sõltub suuresti juhtivusest ja mitmed uuringud on näidanud, et juhtivuse suurendamiseks erinevaid lahuseid kasutades on võimalik saavutada erinevad juhtivused, suurendades sellega vesiniku tootmist.

4. Erinevate veeomaduste mõju PEM -i elektrolütseeri energiatarbimisele

Merevesi, kaev vesi ja deioniseeritud vesi on kolme erinevat tüüpi vett, mis võivad mõjutada prootonivahetusmembraani (PEM) elektrolüüsikoja energiavajadusi. Merevesi sisaldab suures koguses lahustunud soolasid, mineraale ja muid saasteaineid. Kuna need saasteained suurendavad vee juhtivust, suureneb elektrolüüsri resistentsus. Kuna takistuse ületamiseks on vaja rohkem energiat, aeglustub elektrolüüsiprotsess. Vajaliku voolu saamiseks on vaja kõrgemat pinget, mis viib ka energiatarbimise üldise suurenemiseni. Vesi on lahustunud soolades ja saasteainetes tavaliselt palju madalam kui merevees. Mineraalid ja muud ained, mis võivad elektrolüüsi häirida, võivad endiselt eksisteerida. Täpselt see, kuidas kaevu vee koostis mõjutab energiatarbimist, pole mingil määral endiselt ebakindel. Hästi vee töötlemiseks vajalik energia on üldiselt väiksem kui merevee või deioniseeritud vee töötlemiseks vajalik energia. Deioniseeritud vesi on vesi, millel on deonisatsiooniprotsessi käigus eemaldatud mineraaloonid. Seda nimetatakse ka deioniseeritud veeks ja destilleeritud veeks. Deioniseeritud vees on palju madalam juhtivus kui merevee ja kaevu veega. Seetõttu on sellel elektrolüüsiprotsessi ajal madalam vastupidavus ja sama voolu tootmiseks on vaja vähem energiat. Deioniseeritud vee kasutamine PEM -elektrolüüsrites võib parandada energiatõhusust. Deioniseeritud vees on halb juhtivus, mis võib aidata energiat säästa, kuid see ei sisalda elektrolüüsris sisalduvate elektrokeemiliste reaktsioonide jaoks vajalikke ioone. Veekvaliteedi nõudeid tuleks hoolikalt kaaluda PEM -i elektrolütseerisüsteemi konkreetse kavandamise ja toimimise põhjal, kuna need ioonid on olulised, et säilitada elektrolüzeri komponentide jõudlust ja eluea.

Lühidalt öeldes pöörame PEM vee elektrolüüsis tavaliselt rohkem tähelepanu elektrolüüüsi endale ja eirame BOP -i olulisust. Paljud inimesed arvavad ka, et PEM -i BOP on lihtsam kui aluseline. Tegelikult, kuigi PEM ei vaja suurt gaasi-vedeliku eraldussüsteemi nagu aluseline, on ka puhta vee kvaliteedi haldamiseks väga oluline. Puhta vee kvaliteedi haldamine ei taga mitte ainult tõhusat toimimist, vaid aitab ka suurendada kasutusiga.