Dezvoltarea și aplicarea tehnologiei de producere a hidrogenului cu membrană schimbătoare de protoni prin electroliza apei sub fluctuațiile energiei eoliene și solare II

Dezvoltarea și aplicarea tehnologiei de producere a hidrogenului cu membrană schimbătoare de protoni prin electroliza apei sub fluctuațiile energiei eoliene și solare II

II. Caracteristicile de bază ale producției de hidrogen prin Electroliza apei PEM sub sursa de energie electrică fluctuantă eoliană și solară
Sub sursa de alimentare fluctuantă a energiei eoliene și solare, parametrii de lucru ai electrolizorului suferă modificări tranzitorii, care pot provoca daune ireversibile componentelor principale. Explorând caracteristicile de performanță ale electrolizei apei PEM pentru producția de hidrogen sub sursa de energie fluctuantă a energiei eoliene și solare, mecanismul de atenuare și metodele de evaluare a componentelor electrolizorului PEM sunt de mare valoare pentru cercetarea și dezvoltarea tehnologiilor cheie pentru componentele electrolizorului PEM.

1. Fluctuațiile energiei eoliene și solare au un impact semnificativ asupra celulelor electrolitice
De obicei, tensiunea de intrare a celulei electrolitice este controlată într-un anumit interval; când puterea de intrare a celulei electrolitice fluctuează, tensiunea celulei electrolitice se modifică ușor, în timp ce curentul fluctuează semnificativ. Când controlul stabilizării tensiunii este adoptat în aplicații practice, odată ce puterea de intrare a celulei electrolitice se schimbă, curentul va fluctua brusc, ceea ce va provoca o schimbare bruscă a vitezei de reacție a electrodului, determinând ca celula electrolitică să se abate de la starea de funcționare stabilă. Datorită existenţei suprapotenţialului de reacţie a electrodului, tensiunea de intrare este semnificativ mai mare decât tensiunea teoretică; deși reacția de electroliză a apei este o reacție endotermă, căldura Joule generată de pierderea ohmică face ca temperatura celulei electrolitice să crească treptat în timp, chiar și în condiții stabile de alimentare cu energie. Din caracteristicile de lucru ale celulei electrolitice în condiții simulate de energie eoliană, se poate observa că temperatura se modifică odată cu fluctuația producției de energie în condiții de funcționare tranzitorii. După ce temperatura celulei electrolitice scade, viteza de reacție a electrodului scade și eficiența scade. Creșterea puterii duce la o creștere a temperaturii, iar creșterea randamentelor de oxigen și hidrogen pe suprafața electrodului duce la atașarea bulelor de suprafața electrodului, crescând astfel rezistența la transferul ionic a stratului de catalizator și reducând zona de reacție efectivă. , generând astfel un suprapotenţial de reacţie mai mare, rezultând o creştere a tensiunii celulei electrolitice. Atașarea și curgerea bulelor conduc, de asemenea, la alimentarea neuniformă cu electrolit pe suprafața electrodului, provocând reacții neuniforme și puncte fierbinți locale pe suprafața electrodului.
În ultimii ani, subiectul impactului sursei de energie electrică fluctuantă eoliană și solară asupra atenuării performanței sau îmbătrânirii celulelor electrolitice a primit multă atenție din partea cercetătorilor din țară și din străinătate, dar unele concluzii sunt diferite. Prin testul de durabilitate de 500 de ore al celulei electrolitice PEM, au fost clarificate caracteristicile de performanță ale celulei electrolitice în diferite moduri de funcționare și s-a constatat că în modul de funcționare cu ciclu rapid (simulează generarea de energie fotovoltaică), pe măsură ce rezistența ohmică a scăzut , performanța celulei electrolitice a fost îmbunătățită. După testul de durabilitate de 1000 de ore al celulei electrolitice PEM, s-a constatat că rata de atenuare a performanței celulei electrolitice a fost de 194 μV/h, iar 78% din atenuare a provenit din creșterea rezistenței ohmice a anodului poros. strat; atenuarea performanței celulei electrolitice a fost atenuată semnificativ în condițiile alimentării cu energie electrică fluctuantă eoliană și solară, deoarece sursa de energie electrică fluctuantă eoliană și solară a restabilit parțial degradarea reversibilă și a slăbit problema degradării electrodului. Stabilitatea pe termen lung a performanței celulei electrolitice sub diferite caracteristici de intrare și mecanismul său de atenuare necesită încă studii suplimentare.

2. Fluctuațiile energiei eoliene și solare accelerează degradarea componentelor celulelor electrolitice
1). Stratul catalitic
Stratul catalitic al celulei electrolitice este în general compus dintr-un catalizator (cum ar fi metalele prețioase precum Pt, RuO2, Ir, IrO2) și un liant (cum ar fi acidul perfluorosulfonic). Pentru a spori durabilitatea, stratul catalitic este de obicei încărcat cu unele materiale purtătoare conductoare, cum ar fi TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Catalizatorii de mai sus pot îndeplini cerințele de înaltă performanță ale celulelor electrolitice PEM, dar durabilitatea în condiții dure de funcționare este dificil să fie satisfăcătoare. Performanța anodului este mai grav degradată în condiții de încărcare scăzută a catalizatorului, iar mecanismele de atenuare corespunzătoare includ în principal dizolvarea, aglomerarea și pasivarea purtătorului. După un test de durabilitate de 5500 h pe celula electrolitică PEM, s-a constatat că coroziunea stratului catalitic și degradarea catalizatorului Pt au fost principalii factori care au condus la degradarea performanței.
2). Membrana de schimb
În electrolizoarele tradiționale PEM, membrana de schimb este folosită pentru a separa produșii gazoși de reacție, pentru a transporta protoni și pentru a susține straturile catalizatorului catodic și anodic. Trebuie să aibă stabilitate chimică excelentă, rezistență mecanică, stabilitate termică, conductivitate a protonilor și alte caracteristici. Degradarea performanței membranei schimbătoare se datorează în principal contaminării membranei sau degradării chimice. Din perspectiva siguranței și fiabilității, durabilitatea membranei este crucială pentru electrolizor. Deteriorarea membranei poate determina amestecarea directă a hidrogenului și oxigenului generat. Mecanismul de degradare al membranei de schimb este împărțit în principal în trei tipuri: degradare mecanică, degradare termică și degradare chimică/electrochimică.
3). Placă bipolară
Placa bipolară este o componentă multifuncțională a celulei electrolitice. Conduce electronii în mod eficient, oferă canale pentru transportul reactanților/produsului, menține stabilitatea mecanică și integritatea echipamentului și servește ca o componentă a managementului termic. Ca componentă principală a celulei electrolitice, costul reprezintă aproximativ 48% din celula electrolitică PEM. Proiectarea și fabricarea sa ar trebui să îndeplinească cerințele de conductivitate ridicată, rezistență la coroziune, cost redus și rezistență mecanică ridicată. Cu toate acestea, modificările de tensiune/curent sub sursa de alimentare fluctuantă a energiei eoliene și solare duc la modificări inegale sau drastice ale temperaturii celulei electrolitice, ducând la distribuția neuniformă a tensiunii sau la modificări repetate ale tensiunii, ducând la creșterea rezistenței de contact și la solicitarea performanței mecanice. , care afectează în cele din urmă durabilitatea celulei electrolitice.

3. Metoda de simulare a sursei de energie electrică fluctuantă eoliană și solară
Dezvoltarea de teste de degradare accelerată, evaluare a durabilității și scheme de cercetare a durabilității pentru celulele electrolitice și componentele acestora va ajuta la evaluarea comportamentului de degradare a materialelor și la o mai bună înțelegere a mecanismului de degradare a materialelor. Durabilitatea celulelor electrolitice PEM este evaluată în principal prin curent constant în condiții specifice de temperatură și presiune. Durata de testare a duratei de viață a celulelor electrolitice este relativ lungă (>4×104 h), iar costul corespunzător de evaluare a durabilității este relativ mare. În prezent, nu există o metodă standardizată și general acceptată de evaluare a durabilității pentru componentele celulelor electrolitice PEM. Cercurile academice și industriale din Europa s-au angajat de mult timp să caracterizeze, să testeze și să evalueze performanța, eficiența și durabilitatea celulelor electrolitice și au acumulat o experiență bogată. Lucrările reprezentative includ: utilizarea metodelor accelerate de testare a stresului pentru a evalua stabilitatea chimică a membranelor din celulele electrolitice PEM; studierea efectelor diferitelor forme de undă de intrare ale energiei eoliene și solare fluctuante asupra degradării celulelor electrolitice PEM și crezând că sursele de energie cu unde pătrate și cu dinți de ferăstrău accelerează semnificativ degradarea electrozilor; propunând simularea modului de pornire și oprire a celulelor electrolitice prin curent constant și tensiune în circuit deschis și constatând că condițiile de circuit deschis pot accelera scăderea performanței celulelor electrolitice. În general, se crede că atenuarea accelerată este de obicei legată de densitatea curentului, presiunea și temperatură, dar există încă o lipsă de metode de testare a atenuării accelerate pentru celulele electrolitice sub surse de energie fluctuante eoliene și solare și planurile de implementare standardizate aferente. Metodele de testare în condiții de un singur factor sunt dificil de evaluat în mod cuprinzător a caracteristicilor de atenuare ale celulelor electrolitice sub surse de energie fluctuante eoliene și solare.