Vpliv kakovosti vode na zmogljivost PEM elektrolizarja

Med viri obnovljivih virov energije je proizvodnja vodika z elektrolizo zelo obetavna zaradi njegovega potenciala kot medija za shranjevanje energije.Proton Exchange Membrana (PEM)je ena izmed glavnih tehnologij za proizvodnjo vodika z elektrolizo zaradi svojih prednosti, kot so visoka učinkovitost, velika gostota toka, nizko temperaturno območje in hitrost odziva. Večina raziskav o proizvodnji vodikaPEM elektrolizase osredotoča na demonstracijo proizvodnje vodika z elektrolizo PEM, razvojem novih katalizatorjev in razvoju novihProton Exchange Membranaelektroliti. Vendar pa optimizacija sistema in krmne vode ostaja izziv. Zato ta študija raziskuje vpliv kakovosti vode na porabo energijePEM elektrolizatorji, osredotočenost na skupne raztopljene trdne snovi (TD), pH vode in prevodnost (seveda ti trije dejavniki pogosto vplivajo drug na drugega).

Učinkovitost in poraba energijePEM elektrolizatorjiodvisno od kakovosti vplivne vode. Ta študija je potrdila tri parametre, ki vplivajo na vodne lastnosti: pH (3, 7, 9), skupne raztopljene trdne snovi (TD) (300ppm, 600ppm, 900ppm) in prevodnost (prevodnost: 30ms/cm, 70ms/cm, 100ms/cm)PEM elektrolizatorji. Rezultati so pokazali, da je na količino proizvedenega vodika pomembno vplival na pH, skupne raztopljene trdne snovi in ​​prevodnost, optimalna raven vsake spremenljivke pa je bila določena z obsežnim testiranjem.

Delovno načelo PEM elektrolizatorjev je, da elektrokemično ločijo v kisik in vodik na njihovih elektrodah. Ker je voda medij za proizvodnjo vodika, lahko njegova kakovost vpliva na rezultate procesa elektrolize. Vodne lastnosti, ki lahko vplivajo na učinkovitost PEM elektrolizatorjev, vključujejo pH, skupno raztopljene trdne snovi (TD) in prevodnost. Na primer, pH vrednost elektrolita vpliva na proizvodnjo vodika in porabo energije PEM elektrolizatorja; Nižja pH vrednost lahko zmanjša celotno reakcijo redukcije kisika (reakcija evolucije kisika: OER), s čimer zmanjša porabo energije, vendar obstaja problem razgradnje membrane; Drug pomemben dejavnik je prevodnost, nizka prevodnost bo tudi zmanjšala celoten potencial in s tem zmanjšala potrebno energijo, visoka prevodnost pa bo poškodovala tudi membrano; Aktivni prekomerni vpliv med reakcijami na vodik in kisik ima tudi asimetrično in odvisno porazdelitev od pH. Zato je treba optimizirati vrednost pH, vrednost TDS in prevodnost, da se zagotovi izboljšanje učinkovitosti PEM elektrolizatorja. Ameriško društvo za testiranje in materiale (ASTM) priporoča, da komercialni PEM elektrolizerji uporabljajo deionizirano vodo tipa I, to je voda s skupno vsebnostjo organskega ogljika manj kot 50ppB, upornost več kot 1 mΩ.cm in vsebnost natrija in klorida manj kot 5 µg/l. Vendar so skoraj vsi vodni viri nečisti, kar pomeni, da čiščenje vode za PEM elektrolizatorje zahteva dodatne stroške. Študija o vplivu TDS na učinkovitost fotonapetostnih celic je pokazala, da je višja raven vode TDS (0-2000ppm), boljši je donos, medtem ko je raven TDS padla na nič, ni bilo donosa. Podobno so rezultati študije z umetno rečno vodo (mehka voda) kot elektrolita PEM elektrolizerja pokazali, da se je zmogljivost elektrolizatorja zmanjšala zaradi povečanja koncentracij kalcija in magnezijevih ionov. Učinkovitost celice in mehanska življenjska doba elektrolizatorja PEM sta bila zmanjšana.

1. Vpliv vrednosti pH na proizvodnjo plina in porabo energije elektrolizerja

1.1. Vpliv pH vrednosti na proizvodnjo plina

Ko se pH vrednost elektrolita spreminja, se spreminja tudi količina vodika in kisika. Funkcijsko razmerje med količino proizvedenega vodika in kisika ter časom in pH vrednostjo se v rednih intervalih spreminja vrednost pH s 3 na 11. Zanimivo je, da začetni rezultati kažejo, da se količina proizvedenega vodika in kisika zmanjšuje, ko se vrednost pH poveča s 3 na 7, kar kaže, da je postopek elektrolize lahko počasen pri nevtralnem pH. Presenetljivo so rezultati pokazali, da se je proizvodnja vodika in kisika znatno povečala pri pH 11, kar kaže, da lahko alkalnost vzorca vode prispeva k proizvodnji vodika in kisika.

1.2 Vpliv pH na porabo energije

PH elektrolita vpliva na porabo energije sistema. PH vpliva na prevodnost elektrolita, kar posledično vpliva na učinkovitost procesa elektrolize. Običajno je optimalno območje pH za PEM elektrolizatorje med 7 in 9. Višji kot je pH, bolj prevodni je elektrolit, kar lahko izboljša učinkovitost procesa elektrolize. Če pa je pH previsok, se lahko membrana v elektrolizatorju poškoduje, kar ima za posledico zmanjšano delovanje in povečano porabo energije. Po drugi strani pa se lahko, če je pH prenizek, prevodnost elektrolita zmanjša, kar ima za posledico zmanjšano učinkovitost in povečano porabo energije. Poleg tega lahko prenizek p pH povzroči, da se membrana izsuši, kar lahko tudi zmanjša zmogljivost in poveča porabo energije. Poraba energije PEM elektrolizatorja se poveča pri nižjih pH vrednostih. Pri pH 8 je poraba energije najnižja, pri 45KWh/M3 H2. Ko se pH vrednost povečuje ali zmanjšuje, se poraba energije začne povečevati.

2. Vpliv skupnih raztopljenih trdnih snovi (TD) na proizvodnjo plina in porabo energije

2.1. Vpliv TDS na proizvodnjo plina

Pri oceni treh različnih koncentracij TDS je 300 ppm nizka koncentracija, 600 ppm je srednja koncentracija, 900 ppm pa visoka koncentracija. Rezultati so skladni z drugimi študijami. Rezultati kažejo, da se s povečanjem koncentracije TDS poveča proizvodnja vodika in kisika, kar je lahko katalizator za tvorbo vodika. Ugotovimo lahko, da je proizvodnja vodika iz vode ugodnejša pri višjih nivojih TDS, medtem ko je proizvodnja omejena pri nizkih koncentracijah, kar kaže, da se pri ničelnih nivojih TDS ne more proizvajati vodik:

2.2 Vpliv TDS na porabo energije

Skupne raztopljene trdne snovi (TD) imajo pomemben vpliv na porabo energije elektrolizatorjev protonske izmenjave (PEM). TDS se nanaša na koncentracijo vseh anorganskih in organskih snovi, raztopljenih v vodi. Kadar so te snovi prisotne v vodi, ki se uporablja v elektrolizatorju, vplivajo na delovanje in učinkovitost elektrolizatorja. TD v vodi poveča prevodnost vode, kar vodi do povečanja napetosti elektrolitske celice, potrebne za elektrolizo. Povečanje napetosti celice vodi do povečanja porabe energije elektrolizerja. Poleg tega lahko TDS povzroči skaliranje elektrod in membran, kar zmanjšuje učinkovitost elektrolizerja in še poveča porabo energije. Da bi ublažili vpliv TDS na porabo energije, je treba zagotoviti, da je voda, ki se uporablja v Electrolizatorju PEM, visoke čistosti in nizke koncentracije TDS. Tehnologije čiščenja vode, kot sta reverzna osmoza in deionizacija, se lahko uporabijo za odstranjevanje TDS iz vode, s čimer se izboljšajo učinkovitost PEM elektrolizatorjev in zmanjšajo njihovo porabo energije.

3. Vpliv prevodnosti na proizvodnjo plina

Drugi ključni dejavnik, ki vpliva na porabo energije Elektrolizatorjev PEM, je prevodnost. Zmanjšanje prekomerne naložbe, potrebnega za anodo OER, lahko zmanjša povpraševanje po energiji, kar se odraža v dejstvu, da višje vrednosti prevodnosti pomenijo tudi višje koncentracije ionov v raztopini elektrolita. Vendar pa visoka prevodnost poveča tudi možnost poslabšanja membrane in poveča energijo, potrebno za črpanje. Proizvodnja vodika je v veliki meri odvisna od prevodnosti in več raziskav je pokazalo, da je z uporabo različnih rešitev za povečanje prevodnosti mogoče doseči različne prevodnosti in s tem povečati proizvodnjo vodika.

4. Vpliv različnih vodnih lastnosti na porabo energije PEM elektrolizarja

Morska voda, vodnjaka in deionizirana voda so tri različne vrste vode, ki lahko vplivajo na energijske potrebe elektrolizerja protonske membrane (PEM). Morska voda vsebuje veliko količino raztopljenih soli, mineralov in drugih onesnaževal. Ker ti onesnaževalci povečajo prevodnost vode, se odpornost elektrolizatorja poveča. Ker je za premagovanje odpornosti potrebno več energije, se postopek elektrolize upočasni. Za zagotovitev potrebnega toka je potrebna večja napetost, kar vodi tudi do splošnega povečanja porabe energije. Voda je običajno veliko nižja v raztopljenih soli in onesnaževalcih kot morska voda. Minerali in druge snovi, ki lahko motijo ​​elektrolizo, še vedno obstajajo. Natančno, kako sestava vode dobro vpliva na porabo energije, je do neke mere še vedno negotovo. Energija, potrebna za obdelavo vode, je na splošno manjša od energije, potrebne za zdravljenje morske vode ali deionizirane vode. Deionizirana voda je voda, ki je s postopkom deionizacije odstranila mineralne ione. Imenuje se tudi deionizirana voda in destilirana voda. Deionizirana voda ima precej nižjo prevodnost kot morska voda in voda. Zato ima med postopkom elektrolize manjšo odpornost in potrebuje manj energije, da ustvari enak tok. Uporaba deionizirane vode v PEM elektrolizatorjih lahko izboljša energetsko učinkovitost. Deionizirana voda ima slabo prevodnost, kar lahko pomaga prihraniti energijo, vendar ne vsebuje nobenih ionov, potrebnih za elektrokemične reakcije v elektrolizatorju. Zahteve glede kakovosti vode je treba skrbno upoštevati na podlagi specifične zasnove in delovanja sistema PEM elektrolizatorja, ker so ti ioni pomembni za ohranjanje zmogljivosti in življenjske dobe komponent elektrolizerja.

Skratka, v vodni elektrolizi Pem ponavadi posvečamo več pozornosti samemu elektrolizatorju in zanemarimo pomen BOP. Mnogi ljudje tudi menijo, da je Bop PEM preprostejši od alkalne. V resnici, čeprav PEM ne potrebuje velikega sistema ločevanja plinsko-tekočine, kot je alkalen, je tudi zelo pomembno upravljati kakovost čiste vode. Upravljanje kakovosti čiste vode ne samo zagotavlja učinkovito delovanje, ampak tudi pomaga povečati življenjsko dobo.