Effect van waterkwaliteit op PEM -elektrolyzerprestaties

Onder hernieuwbare energiebronnen is waterstofproductie door elektrolyse veelbelovend vanwege het potentieel als energieopslagmedium.Proton Exchange Membrane (PEM)is een van de reguliere technologieën voor waterstofproductie door elektrolyse vanwege de voordelen zoals hoge efficiëntie, grote stroomdichtheid, lage temperatuurbereik en snelle responssnelheid. Het grootste deel van het onderzoek naar waterstofproductie doorPEM -elektrolyseRicht zich op de demonstratie van waterstofproductie door PEM -elektrolyse, de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren en de ontwikkeling van nieuweprotonuitwisselingsmembraanelektrolyten. De optimalisatie van het systeem en het voedingswater blijft echter een uitdaging. Daarom onderzoekt deze studie het effect van waterkwaliteit op het energieverbruik vanPEM -elektrolyzers, gericht op totaal opgeloste vaste stoffen (TD's), water -pH en geleidbaarheid (natuurlijk beïnvloeden deze drie factoren elkaar vaak).

De efficiëntie en energieverbruik vanPEM -elektrolyzersafhankelijk van de kwaliteit van het influentwater. Deze studie valideerde drie parameters die de watereigenschappen beïnvloeden: pH (3, 7, 9), totaal opgeloste vaste stoffen (TD's) (300 ppm, 600 ppm, 900 ppm) en geleidbaarheid (geleidbaarheid (geleidbaarheid: 30 ms/cm, 70 ms/cm, 100 ms/cm) om het proces van het produceren van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het produceren en optimaliseren van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het proces van het produceren en optimaliseren.PEM -elektrolyzers. De resultaten toonden aan dat de hoeveelheid geproduceerde waterstof significant werd beïnvloed door pH, totale opgeloste vaste stoffen en geleidbaarheid, en het optimale niveau van elke variabele werd bepaald door uitgebreide testen.

Het werkingsprincipe van PEM -elektrolyzers is om water in zuurstof en waterstof in hun respectieve elektroden elektrochemisch te scheiden. Omdat water het medium is voor het produceren van waterstof, kan de kwaliteit de resultaten van het elektrolyseproces beïnvloeden. Waterkwaliteiten die de efficiëntie van PEM -elektrolyzers kunnen beïnvloeden, omvatten pH, totale opgeloste vaste stoffen (TD's) en geleidbaarheid. De pH -waarde van de elektrolyt beïnvloedt bijvoorbeeld de productie van waterstof en het energieverbruik van de PEM -elektrolyzer; Een lagere pH -waarde kan de algehele zuurstofreductiereactie (zuurstofevolutiereactie: OER) potentieel verminderen, waardoor het energieverbruik wordt verminderd, maar er is een probleem van membraanafbraak; Een andere belangrijke factor is geleidbaarheid, lage geleidbaarheid zal ook het totale potentieel verminderen, waardoor de vereiste energie wordt verminderd, en hoge geleidbaarheid ook het membraan beschadigt; De actieve overpotentiaal tussen waterstof- en zuurstofreductiereacties heeft ook een asymmetrische en afhankelijke verdeling op pH. Daarom is het noodzakelijk om de pH -waarde, TDS -waarde en geleidbaarheid te optimaliseren om de verbetering van de prestaties van de PEM -elektrolyzer te waarborgen. De American Society for Testing and Materials (ASTM) beveelt aan dat commerciële PEM -elektrolyzers Type I gedeeld water gebruiken, dat wil zeggen water met een totaal organisch koolstofgehalte van minder dan 50ppb, een weerstand van meer dan 1 MΩ. Cm en een natrium- en chloridegehalte van minder dan 5 µg/L. Bijna alle watervoorraden zijn echter onzuiver, wat betekent dat waterzuivering voor PEM -elektrolyzers extra kosten vereist. Een onderzoek naar het effect van TD's op fotovoltaïsche celefficiëntie toonde aan dat hoe hoger het TDS-waterniveau (0-2000 ppm), hoe beter de opbrengst, terwijl het TDS-niveau tot nul daalde, er geen opbrengst was. Evenzo toonden de resultaten van een onderzoek met kunstmatige rivierwater (zacht water) als de elektrolyt van een PEM -elektrolyzer aan dat de prestaties van de elektrolyzer afnamen vanwege de toename van calcium- en magnesiumionconcentraties. De celprestaties en mechanische levensduur van de PEM -elektrolyzer werden verminderd.

1. Het effect van de pH -waarde op de gasproductie en het energieverbruik van elektrolyzer

1.1. Het effect van pH -waarde op de gasproductie

Naarmate de pH -waarde van de elektrolyt verandert, verandert de hoeveelheid geproduceerde waterstof en zuurstof ook. De functierelatie tussen de hoeveelheid geproduceerde waterstof en zuurstof en de tijd- en pH -waarde, verandert de pH -waarde van 3 tot 11 met regelmatige intervallen. Interessant is dat de initiële resultaten aantonen dat de hoeveelheid geproduceerde waterstof en zuurstof afneemt naarmate de pH -waarde stijgt van 3 tot 7, wat aangeeft dat het elektrolyseproces langzaam kan zijn bij neutrale pH. Verrassend genoeg toonden de resultaten aan dat de productie van waterstof en zuurstof aanzienlijk toenam bij een pH van 11, wat aangeeft dat de alkaliteit van het watermonster kan bijdragen aan de productie van waterstof en zuurstof.

1.2 Effect van pH op het energieverbruik

De pH van de elektrolyt beïnvloedt het energieverbruik van het systeem. De pH beïnvloedt de geleidbaarheid van de elektrolyt, die op zijn beurt de efficiëntie van het elektrolyseproces beïnvloedt. Meestal ligt het optimale pH -bereik voor PEM -elektrolyzers tussen 7 en 9. Hoe hoger de pH, hoe geleidender de elektrolyt is, wat de efficiëntie van het elektrolyseproces kan verbeteren. Als de pH echter te hoog is, kan het membraan in de elektrolyzer worden beschadigd, wat resulteert in verminderde prestaties en een verhoogd energieverbruik. Aan de andere kant, als de pH te laag is, kan de geleidbaarheid van de elektrolyt afnemen, wat resulteert in een verminderde efficiëntie en een verhoogd energieverbruik. Bovendien kan een te lage A -pH ervoor zorgen dat het membraan uitdrogen, waardoor ook de prestaties kunnen verminderen en het energieverbruik kunnen verhogen. Het energieverbruik van de PEM -elektrolyzer neemt toe bij lagere pH -waarden. Bij een pH van 8 is het energieverbruik het laagste, bij 45 kWh/m3 H2. Naarmate de pH -waarde toeneemt of afneemt, begint het energieverbruik toe te nemen.

2. Effect van totale opgeloste vaste stoffen (TD's) op de gasproductie en energieverbruik

2.1. Effect van TD's op de gasproductie

Bij het evalueren van drie verschillende TDS -concentraties is 300 ppm een ​​lage concentratie, 600 ppm is een middelgrote concentratie en 900 ppm is een hoge concentratie. De resultaten zijn consistent met andere studies. De resultaten tonen aan dat naarmate de TDS -concentratie toeneemt, de productie van waterstof en zuurstof toeneemt, wat een katalysator kan zijn voor de vorming van waterstof. Er kan worden geconcludeerd dat de productie van waterstof uit water gunstiger is bij hogere TDS -niveaus, terwijl de productie beperkt is bij lage concentraties, wat aangeeft dat geen waterstof kan worden geproduceerd bij nul TDS -niveaus:

2.2 Effect van TD's op energieverbruik

Totaal opgeloste vaste stoffen (TDS) hebben een significante impact op het energieverbruik van protonuitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyzers. TDS verwijst naar de concentratie van alle anorganische en organische stoffen opgelost in water. Wanneer deze stoffen aanwezig zijn in het water dat in de elektrolyzer wordt gebruikt, beïnvloeden ze de prestaties en efficiëntie van de elektrolyzer. TDS in water verhoogt de geleidbaarheid van het water, wat leidt tot een toename van de elektrolytische celspanning die nodig is voor elektrolyse. De toename van de celspanning leidt tot een toename van het energieverbruik van de elektrolyzer. Bovendien kunnen TD's schalen van de elektroden en membranen veroorzaken, wat de efficiëntie van de elektrolyzer vermindert en het energieverbruik verder verhoogt. Om de impact van TDS op het energieverbruik te verminderen, is het noodzakelijk om ervoor te zorgen dat het water dat in de PEM -elektrolyzer wordt gebruikt, een hoge zuiverheid en lage TDS -concentratie is. Waterbehandelingstechnologieën zoals omgekeerde osmose en deionisatie kunnen worden gebruikt om TD's uit water te verwijderen, waardoor de efficiëntie van PEM -elektrolyzers wordt verbeterd en hun energieverbruik wordt verminderd.

3. Effect van geleidbaarheid op de gasproductie

Een andere belangrijke factor die het energieverbruik van PEM -elektrolyzers beïnvloedt, is geleidbaarheid. Het verminderen van het overpotentiaal dat nodig is voor anode -OER kan de vraag van de energie verminderen, wat wordt weerspiegeld in het feit dat hogere geleidbaarheidswaarden ook hogere ionenconcentraties in de elektrolytoplossing betekenen. Hoge geleidbaarheid verhoogt echter ook de kans op membraanversiering en verhoogt de energie die nodig is voor pompen. De productie van waterstof hangt grotendeels af van de geleidbaarheid, en verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat door het gebruik van verschillende oplossingen om de geleidbaarheid te vergroten, verschillende geleidbaarheid kunnen worden bereikt, waardoor de waterstofproductie wordt verhoogd.

4. Effect van verschillende waterkwaliteiten op het energieverbruik van PEM -elektrolyzer

Zeewater, putwater en gedeïoniseerd water zijn drie verschillende soorten water die de energievereisten van een protonuitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyzer kunnen beïnvloeden. Zeewater bevat een grote hoeveelheid opgeloste zouten, mineralen en andere verontreinigingen. Omdat deze verontreinigingen de geleidbaarheid van het water verhogen, neemt de weerstand van de elektrolyzer toe. Omdat meer energie nodig is om de weerstand te overwinnen, vertraagt ​​het elektrolyseproces. Om de vereiste stroom te bieden, is een hogere spanning vereist, wat ook leidt tot een algemene toename van het energieverbruik. Well water is meestal veel lager in opgeloste zouten en verontreinigingen dan zeewater. Mineralen en andere stoffen die kunnen interfereren met elektrolyse kunnen nog steeds bestaan. Precies hoe de samenstelling van goed water het energieverbruik beïnvloedt, is nog steeds tot op zekere hoogte onzeker. De energie die nodig is om goed water te behandelen is over het algemeen minder dan de energie die nodig is om zeewater of gedeïoniseerd water te behandelen. Gedeïoniseerd water is water dat minerale ionen heeft laten verwijderen door het deionisatieproces. Het wordt ook gedeïoniseerd water en gedestilleerd water genoemd. Gedeïoniseerd water heeft een veel lagere geleidbaarheid dan zeewater en goed water. Daarom heeft het een lagere weerstand tijdens het elektrolyseproces en vereist het minder energie om dezelfde stroom te produceren. Het gebruik van gedeïoniseerd water in PEM -elektrolyzers kan de energie -efficiëntie verbeteren. Gedeïoniseerd water heeft een slechte geleidbaarheid, wat kan helpen energie te besparen, maar het bevat geen ionen die nodig zijn voor de elektrochemische reacties in de elektrolyzer. Waterkwaliteitsvereisten moeten zorgvuldig worden overwogen op basis van het specifieke ontwerp en de werking van het PEM -elektrolyzersysteem, omdat deze ionen belangrijk zijn om de prestaties en levensduur van de elektrolyzercomponenten te handhaven.

Kortom, in PEM -waterelektrolyse besteden we meestal meer aandacht aan de elektrolyzer zelf en negeren we het belang van BOP. Veel mensen denken ook dat de BOP van PEM eenvoudiger is dan die van alkaline. Hoewel PEM geen groot gas-vloeistofscheidingssysteem zoals alkalisch vereist, is het zelfs erg belangrijk om de kwaliteit van zuiver water te beheren. Het beheren van de kwaliteit van zuiver water zorgt niet alleen voor een efficiënte werking, maar helpt ook om de levensduur van het de services te vergroten.