Разработка и применение технологии получения водорода с помощью протонообменной мембраны электролизом воды в условиях колебаний ветровой и солнечной энергии II

Разработка и применение технологии получения водорода с помощью протонообменной мембраны электролизом воды в условиях колебаний ветровой и солнечной энергии II

II. Основные характеристики производства водорода Электролиз воды ПЭМ при колебаниях мощности ветра и солнечной энергии
При нестабильном питании ветровой и солнечной энергии рабочие параметры электролизера претерпевают временные изменения, которые могут привести к необратимому повреждению основных компонентов. Изучение рабочих характеристик электролиза воды PEM для производства водорода при нестабильном питании ветровой и солнечной энергии, механизм затухания и методы оценки компонентов электролизера PEM имеют большое значение для исследования и разработки ключевых технологий для компонентов электролизера PEM.

1. Колебания ветровой и солнечной энергии оказывают существенное влияние на электролизеры.
Обычно входное напряжение электролитической ячейки контролируется в определенном диапазоне; когда входная мощность электролизера колеблется, напряжение электролизера меняется незначительно, в то время как ток колеблется значительно. Когда в практических приложениях применяется управление стабилизацией напряжения, при изменении входной мощности электролизера ток будет резко колебаться, что приведет к резкому изменению скорости реакции электрода, что приведет к отклонению электролизера от стабильного рабочего состояния. Из-за существования перенапряжения электродной реакции входное напряжение значительно превышает теоретическое напряжение; хотя реакция электролиза воды является эндотермической реакцией, джоулево тепло, выделяемое за счет омических потерь, приводит к постепенному повышению температуры электролизера с течением времени даже при стабильных условиях электропитания. Из рабочих характеристик электролитической ячейки в моделируемых условиях ветроэнергетики видно, что температура изменяется с колебаниями выработки электроэнергии в переходных условиях эксплуатации. После падения температуры электролизера скорость электродной реакции замедляется и снижается КПД. Увеличение мощности приводит к увеличению температуры, а увеличение выходов кислорода и водорода на поверхности электрода приводит к прилипанию пузырьков к поверхности электрода, тем самым увеличивая сопротивление ионного переноса слоя катализатора и уменьшая эффективную площадь реакции. , тем самым создавая более высокое перенапряжение реакции, что приводит к увеличению напряжения электролитической ячейки. Прилипание и течение пузырьков также приводят к неравномерной подаче электролита на поверхность электрода, что приводит к неравномерной реакции и образованию локальных горячих точек на поверхности электрода.
В последние годы тема влияния ветровых и солнечных колебаний на снижение производительности или старение электролизеров привлекла большое внимание ученых в стране и за рубежом, но некоторые выводы различаются. В ходе 500-часового испытания электролизера ПОМ на долговечность были уточнены эксплуатационные характеристики электролизера в различных режимах работы и обнаружено, что в режиме быстрого цикла работы (имитируя выработку фотоэлектрической энергии) по мере снижения омического сопротивления , производительность электролизера была улучшена. После 1000-часового испытания электролизера ПЭМ на долговечность было установлено, что скорость затухания производительности электролизера составила 194 мкВ/ч, причем 78% затухания приходится на увеличение омического сопротивления анодно-пористого элемента. слой; снижение производительности электролизера было значительно снижено в условиях переменного источника питания от ветра и солнца, поскольку колебательный источник питания от ветра и солнца частично восстанавливал обратимую деградацию и ослаблял проблему деградации электродов. Долговременная стабильность работы электролитической ячейки при различных входных характеристиках и механизм ее затухания все еще требуют дальнейшего изучения.

2. Колебания ветровой и солнечной энергии ускоряют разрушение компонентов электролизера.
1). Каталитический слой
Каталитический слой электролизера обычно состоит из катализатора (например, драгоценных металлов, таких как Pt, RuO2, Ir, IrO2) и связующего вещества (например, перфторсульфоновой кислоты). Для повышения долговечности каталитический слой обычно загружают некоторыми проводящими материалами-носителями, такими как TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Вышеупомянутые катализаторы могут удовлетворить высокие требования к производительности электролизеров PEM, но долговечность в суровых условиях эксплуатации трудно быть удовлетворительной. Производительность анода более серьезно ухудшается в условиях низкой загрузки катализатора, и соответствующие механизмы ослабления в основном включают растворение, агломерацию и пассивацию носителя. После 5500-часового испытания электролизера PEM на долговечность было обнаружено, что коррозия каталитического слоя и деградация платинового катализатора были основными факторами, приводящими к ухудшению производительности.
2). Обменная мембрана
В традиционных электролизерах PEM обменная мембрана используется для разделения газообразных продуктов реакции, переноса протонов и поддержки катодного и анодного слоев катализатора. Он должен обладать превосходной химической стабильностью, механической прочностью, термической стабильностью, протонной проводимостью и другими характеристиками. Ухудшение производительности обменной мембраны происходит главным образом из-за загрязнения мембраны или химического разрушения. С точки зрения безопасности и надежности долговечность мембраны имеет решающее значение для электролизера. Повреждение мембраны может привести к непосредственному смешиванию образующихся водорода и кислорода. Механизм деградации обменной мембраны в основном делится на три типа: механическая деградация, термическая деградация и химическая/электрохимическая деградация.
3). Биполярная пластина
Биполярная пластина является многофункциональным компонентом электролизера. Он эффективно проводит электроны, обеспечивает каналы для транспортировки реагентов/продуктов, поддерживает механическую стабильность и целостность оборудования и служит компонентом управления температурным режимом. Стоимость основного компонента электролизера составляет около 48% стоимости электролизера PEM. Его конструкция и изготовление должны отвечать требованиям высокой проводимости, коррозионной стойкости, низкой стоимости и высокой механической прочности. Однако изменения напряжения/тока при нестабильном питании ветровой и солнечной энергией приводят к неравномерным или резким изменениям температуры электролизера, что приводит к неравномерному распределению напряжения или повторяющимся изменениям напряжения, что приводит к увеличению контактного сопротивления и деформации механических характеристик. , что в конечном итоге влияет на долговечность электролизера.

3. Метод моделирования колебаний ветровой и солнечной энергии.
Разработка схем ускоренного испытания на распад, оценки срока службы и исследования долговечности электролизеров и их компонентов поможет оценить поведение материалов при разложении и лучше понять механизм распада материалов. Долговечность электролизеров PEM в основном оценивается постоянным током при определенных условиях температуры и давления. Время испытаний электролизеров на срок службы относительно велико (>4×104 ч), а соответствующая стоимость оценки долговечности относительно высока. В настоящее время не существует стандартизированного и общепринятого метода оценки долговечности компонентов электролизеров ПОМ. Академические и промышленные круги Европы уже давно занимаются определением, тестированием и оценкой производительности, эффективности и долговечности электролизеров и накопили богатый опыт. Репрезентативные работы включают: использование методов ускоренных стресс-тестов для оценки химической стабильности мембран в электролитических ячейках PEM; изучение влияния различных форм входной мощности ветра и солнца на деградацию электролитических ячеек PEM и уверенность в том, что источники питания с прямоугольными и пилообразными волнами значительно ускоряют деградацию электродов; предлагая моделировать режимы запуска и остановки электролизеров с помощью постоянного тока и напряжения холостого хода, а также обнаруживая, что условия разомкнутой цепи могут ускорить снижение производительности электролизеров. Обычно считается, что ускоренное затухание обычно связано с плотностью тока, давлением и температурой, но до сих пор отсутствуют методы испытаний на ускоренное затухание электролизеров под воздействием ветровых и солнечных источников энергии, а также соответствующие стандартизированные планы реализации. Методы испытаний в однофакторных условиях затрудняют всестороннюю оценку характеристик затухания электролизеров под воздействием ветровых и солнечных источников энергии.