Влияние качества воды на потребление энергии при электролитическом производстве водорода методом ПЭМ

Технология электролиза с использованием протонообменной мембраны (ПЭМ) стала одним из основных методов благодаря своей высокой эффективности, большой плотности тока, широкому диапазону температурной адаптации и высокой скорости реакции. Хотя большинство исследований сосредоточено на демонстрации электролизеров с ПЭМ, разработке новых катализаторов или совершенствовании протонообменных мембран, оптимизация систем и питательной воды остаётся критически важной задачей. Поэтому в данном исследовании особое внимание уделяется влиянию параметров качества воды, включая pH, общее содержание растворённых твёрдых веществ (TDS) и электропроводность, на энергопотребление электролизеров с ПЭМ для оптимизации производства водорода. Эти параметры часто взаимосвязаны и влияют на производительность электролиза.

Принцип работы ПЭМ-электролизер Включает электрохимическое разложение воды на водород и кислород на электродах. Поскольку вода является основной реакционной средой, её качество напрямую влияет на эффективность электролиза и энергопотребление. Ключевые факторы качества воды включают pH, TDS и электропроводность. Например, pH может изменять потенциал реакции восстановления кислорода, тем самым влияя на энергопотребление, но экстремальные значения pH могут привести к деградации мембраны. Низкая электропроводность может помочь снизить энергопотребление, но чрезмерно высокая электропроводность может повредить мембрану. TDS связан с электропроводностью воды и может вызвать проблемы с образованием накипи. Американское общество по испытаниям материалов (ASTM) рекомендует использовать деионизированную воду типа I (общий органический углерод <50 ppb, удельное сопротивление >1 МОм·см, натрий и хлор <5 мкг/л). Однако в реальных источниках воды часто присутствуют примеси, что увеличивает затраты на очистку. Исследования показывают, что при нулевом уровне минерализации водород не образуется, тогда как высокие уровни минерализации (0–2000 ppm) способствуют увеличению производства.

1. Влияние pH на газообразование и потребление энергии

Эффективность электролиза воды с использованием протонообменной мембраны (ПЭМ) для получения водорода (включая производство газа и энергопотребление) тесно связана с pH электролита. Основное требование заключается в том, чтобы pH оставался в пределах «оптимального диапазона», разработанного для данной системы электролиза. Отклонение от этого диапазона (слишком кислая или слишком щелочная среда) значительно снизит производительность системы. Чрезмерно кислая или щелочная среда может сместить катализаторы от их оптимального рабочего состояния, снизить их химическую активность или даже вызвать структурные повреждения, что приводит к замедлению скорости реакции выделения водорода (РВВ) и реакции выделения кислорода (РВК). Кроме того, экстремальные значения pH могут влиять на состояние гидратации и химическую стабильность протонообменной мембраны (ПЭМ), препятствуя эффективному переносу H⁺ и вызывая «перебои в подаче» реагентов. Чрезмерно кислая среда может вызывать коррозию электродов и образование отложений на активных центрах, в то время как чрезмерно щелочная среда может вызывать осаждение примесей, что не только увеличивает потери энергии, но и дополнительно замедляет газообразование, что приводит к снижению его выработки.

2. Влияние общего содержания растворенных твердых веществ (ОВРВ) на добычу газа и потребление энергии

TDS (общий уровень минерализации) – это общая концентрация неорганических и органических веществ, растворённых в воде, и является ключевым показателем оценки её качества. Газообразование увеличивается с повышением концентрации TDS, поскольку высокое TDS может служить катализатором образования водорода. Низкий уровень TDS, напротив, приводит к ограниченному газообразованию, а при нулевом TDS водород не образуется.

TDS существенно влияет на энергопотребление. Высокий уровень TDS увеличивает электропроводность воды, но при этом повышает напряжение электролизёра, что приводит к увеличению энергопотребления. Кроме того, TDS может вызывать образование накипи на электродах или мембранах, снижая эффективность. Для смягчения этих последствий рекомендуется использовать технологии очистки воды (такие как обратный осмос или деионизация), позволяющие снизить TDS и оптимизировать энергопотребление.

3. Влияние проводимости на добычу газа

Проводимость — ещё один важный параметр, отражающий концентрацию ионов в воде. Высокая проводимость может снизить перенапряжение анодной реакции восстановления кислорода (OER), снижая энергозатраты. Однако чрезмерно высокая проводимость увеличивает риск разрушения мембраны и расход энергии на перекачку.

4. Влияние различного качества воды на потребление энергии

Сравнение воздействия морской воды, колодезной воды и деионизированной воды на электролизеры ПЭМ:

• Морская вода: высокое содержание растворенных солей и минералов увеличивает проводимость, но также повышает сопротивление, что требует более высокого напряжения и приводит к повышенному потреблению энергии.

• ​​Колодезная вода​​: меньшее количество растворенных веществ, как правило, приводит к меньшему потреблению энергии, чем морская вода, но неопределенность минерального состава создает проблемы.

• Деионизированная вода: низкая проводимость снижает сопротивление и повышает энергоэффективность, но отсутствие необходимых ионов требует осторожного использования с учетом конструкции системы.

5. Важность управления качеством воды

Электролиз воды в системах с ПЭМ часто фокусируется на самом электролизере, однако вспомогательные системы (ВСП), особенно системы управления питательной водой, не менее важны. Оптимизация параметров качества воды (pH, TDS, электропроводность) не только повышает эффективность и газопроизводительность, но и продлевает срок службы оборудования. Хотя ВСП для систем с ПЭМ проще, чем для щелочных систем, контроль качества чистой воды остаётся ключевым фактором для достижения эффективной и стабильной работы.