Вплив якості води на продуктивність PEM Electrolyzer

Серед відновлюваних джерел енергії вироблення водню за допомогою електролізу є дуже перспективним завдяки його потенціалу як середовища для зберігання енергії.Мембрана Proton Exchange (PEM)є однією з основних технологій виробництва водню за допомогою електролізу завдяки його перевагам, такими як висока ефективність, велика щільність струму, низький діапазон температури та швидка швидкість реакції. Більшість досліджень виробництва водню за допомогоюЕлектроліз PEMОрієнтується на демонстрацію вироблення водню за допомогою електролізу PEM, розвитку нових каталізаторів та розвитку новихМембрана Proton Exchangeелектроліти. Однак оптимізація системи та подачі води залишається проблемою. Тому це дослідження досліджує вплив якості води на споживання енергіїPEM електролізери, зосереджуючись на загальних розчинених твердих речовинах (ТД), рН воді та провідності (звичайно, ці три фактори часто впливають один на одного).

Ефективність та споживання енергіїPEM електролізеризалежать від якості впливу води. Це дослідження підтвердило три параметри, що впливають на властивості води: pH (3, 7, 9), загальні розчинені тверді речовини (TDS) (300ppm, 600ppm, 900ppm) та провідність (провідність: 30 мс/см, 70 м/см, 100 мс/см) для розуміння та оптимізації процесу виробництва гідрогенPEM електролізери. Результати показали, що на кількість виробленого водню суттєво впливав рН, загальний розчинений тверді речовини та провідність, а оптимальний рівень кожної змінної визначали за допомогою широкого тестування.

Принцип роботи електролізерів PEM полягає в електрохімічно відокремленому воді в кисень та водень у відповідних електродах. Оскільки вода є середовищем для отримання водню, його якість може впливати на результати процесу електролізу. Водні якості, які можуть впливати на ефективність електролізерів PEM, включають рН, загальну кількість розчинених твердих речовин (ТД) та провідність. Наприклад, значення рН електроліту впливає на виробництво водню та споживання енергії електролізера PEM; Нижнє значення рН може зменшити загальний потенціал реакції відновлення кисню (еволюція еволюції кисню: OER), тим самим зменшуючи споживання енергії, але виникає проблема деградації мембран; Ще одним важливим фактором є провідність, низька провідність також зменшить загальний потенціал, тим самим зменшивши необхідну енергію, а висока провідність також пошкодить мембрану; Активне перенапруження між реакціями відновлення водню та кисню також має асиметричний та залежний розподіл на рН. Тому необхідно оптимізувати значення pH, значення TDS та провідність, щоб забезпечити покращення продуктивності електролізора PEM. Американське товариство для випробувань та матеріалів (ASTM) рекомендує комерційні електролізатори PEM використовують деіонізовану воду типу I, тобто воду із загальним вмістом органічного вуглецю менше 50ppb, опір понад 1 МОм. Однак майже всі водні ресурси нечисті, а це означає, що очищення води для електролізерів PEM вимагає додаткових витрат. Дослідження впливу ТД на ефективність фотоелектричних клітин показало, що чим вище рівень TDS води (0-2000ppm), тим кращий вихід, тоді як рівень TDS знизився до нуля, врожайності не було. Аналогічно, результати дослідження з використанням штучної річки (м'яка вода) як електроліт електроліцера PEM показали, що продуктивність електролізера знижується через збільшення концентрації іонів кальцію та магнію. Продуктивність клітин та механічний термін експлуатації електроліцера PEM були знижені.

1. Вплив вартості рН на виробництво газу та споживання енергії електролізера

1.1. Вплив вартості рН на виробництво газу

В міру зміни значення рН електроліту кількість водню та кисню, що виробляються, також змінюються. Функціональна залежність між кількістю виробленого водню та киснем та значенням часу та рН, значення pH змінюється з 3 до 11 регулярними проміжками часу. Цікаво, що початкові результати показують, що кількість вироблених водню та кисню зменшується, оскільки значення рН зростає з 3 до 7, що вказує на те, що процес електролізу може бути повільним при нейтральному рН. Дивно, але результати показали, що вироблення водню та кисню значно збільшувалося при рН 11, що свідчить про те, що лужність зразка води може сприяти виробленню водню та кисню.

1.2 Вплив рН на споживання енергії

PH електроліту впливає на споживання енергії системи. PH впливає на провідність електроліту, що, в свою чергу, впливає на ефективність процесу електролізу. Як правило, оптимальний діапазон рН для електролізерів PEM становить від 7 до 9. Чим вище pH, тим більш електролітом є електроліт, що може підвищити ефективність процесу електролізу. Однак, якщо рН занадто високий, мембрана в електролізері може бути пошкоджена, що призводить до зниження продуктивності та збільшення споживання енергії. З іншого боку, якщо рН занадто низький, провідність електроліту може знижуватися, що призводить до зниження ефективності та підвищення споживання енергії. Крім того, занадто низький рН може призвести до висихання мембрани, що також може знизити продуктивність та збільшити споживання енергії. Споживання енергії електролізера PEM збільшується при менших значеннях рН. При рН 8 споживання енергії є найнижчим, при 45 кВт/год/м3 H2. Зі збільшенням або зменшенням значення рН споживання енергії починає збільшуватися.

2. Вплив загальних розчинених твердих речовин (ТД) на виробництво газу та споживання енергії

2.1. Вплив ТД на виробництво газу

При оцінці трьох різних концентрацій ТД 300 проміле - низька концентрація, 600 проміле - середня концентрація, а 900 проміле - висока концентрація. Результати узгоджуються з іншими дослідженнями. Результати показують, що в міру збільшення концентрації ТД вироблення водню та кисню збільшується, що може бути каталізатором утворення водню. Можна зробити висновок, що вироблення водню з води є більш сприятливим при більш високих рівнях TDS, тоді як виробництво обмежене при низьких концентраціях, що свідчить про те, що водень не може вироблятися на нульовому рівні TDS:

2.2 Вплив ТД на споживання енергії

Загальна кількість розчинених твердих речовин (ТД) має значний вплив на споживання енергії електролізерів протонної обмінної мембрани (PEM). TDS відноситься до концентрації всіх неорганічних та органічних речовин, розчинених у воді. Коли ці речовини присутні у воді, що використовується в електролізері, вони впливають на продуктивність та ефективність електролізера. ТД у воді збільшує провідність води, що призводить до збільшення напруги електролітичної клітини, необхідної для електролізу. Збільшення напруги клітин призводить до збільшення споживання енергії електролізера. Крім того, TDS може спричинити масштабування електродів та мембран, що знижує ефективність електролізера та додатково збільшує споживання енергії. Для того, щоб пом'якшити вплив ТД на споживання енергії, необхідно забезпечити, щоб вода, що використовується в електролізі PEM, має високу чистоту та низьку концентрацію ТД. Технології очищення води, такі як зворотний осмос та деіонізація, можуть бути використані для видалення ТД з води, тим самим підвищуючи ефективність електролізерів PEM та зменшуючи їх споживання енергії.

3. Вплив провідності на виробництво газу

Ще одним ключовим фактором, що впливає на споживання енергії електролізерів PEM, є провідність. Зменшення перенапруження, необхідного для анода OER, може зменшити попит на енергію, що відображається в тому, що більш високі значення провідності також означають більш високі концентрації іонів у розчині електроліту. Однак висока провідність також збільшує шанс погіршення мембран та збільшує енергію, необхідну для перекачування. Виробництво водню багато в чому залежить від провідності, і кілька досліджень показали, що за допомогою різних розчинів для підвищення провідності можна досягти різної провідності, тим самим збільшуючи вироблення водню.

4. Вплив різних якостей води на споживання енергії PEM Electrolyzer

Морська вода, вода з свердловини та деіонізована вода - це три різні типи води, які можуть впливати на енергетичні потреби електролізера протонної обмінної мембрани (PEM). Морська вода містить велику кількість розчинених солей, мінералів та інших забруднень. Оскільки ці забруднення збільшують провідність води, стійкість електролізера збільшується. Оскільки для подолання опору потрібно більше енергії, процес електролізу сповільнюється. Для того, щоб забезпечити необхідний струм, потрібна більш висока напруга, що також призводить до загального збільшення використання енергії. Вода з свердловини зазвичай значно нижча у розчинених солях і забрудненнях, ніж морська вода. Мінерали та інші речовини, які можуть заважати електролізу, все ще можуть існувати. Саме те, як склад води свердловини впливає на використання енергії, досі певною мірою невпевнено. Енергія, необхідна для очищення свердловини, як правило, менша, ніж енергія, необхідна для обробки морської води або деіонізованої води. Деіонізована вода - це вода, яка мала мінеральні іони, вилучені в процесі деіонізації. Його також називають деіонізованою водою та дистильованою водою. Деіонізована вода має значно меншу провідність, ніж морська вода та вода свердловини. Тому він має менший опір під час процесу електролізу і вимагає меншої енергії для отримання одного і того ж струму. Використання деіонізованої води в електролізерах PEM може підвищити енергоефективність. Деіонізована вода має погану провідність, що може допомогти заощадити енергію, але вона не містить іонів, необхідних для електрохімічних реакцій в електролізі. Вимоги до якості води слід ретельно розглядати на основі конкретної конструкції та експлуатації системи електролізорової системи PEM, оскільки ці іони важливі для підтримки продуктивності та терміну експлуатації компонентів електролізерів.

Коротше кажучи, в електролізі PEM водного водного періоду ми зазвичай приділяємо більше уваги самому електролізері і ігноруємо важливість BOP. Багато людей також вважають, що BOP PEM простіший, ніж лужний. Насправді, хоча PEM не потребує великої системи поділу газо-рідини, як лужний, також дуже важливо керувати якістю чистої води. Управління якістю чистої води не лише забезпечує ефективну експлуатацію, але й допомагає збільшити термін служби.