Разработване и прилагане на технология за производство на водород с водна електролиза на протонна обменна мембрана при колебания на вятърната и слънчевата енергия II

Разработване и прилагане на технология за производство на водород с водна електролиза на протонна обменна мембрана при колебания на вятърната и слънчевата енергия II

II. Основни характеристики на производството на водород чрез PEM водна електролиза при вятърно и слънчево захранване с колебания
При променливо захранване от вятърна и слънчева енергия, работните параметри на електролизера претърпяват преходни промени, които могат да причинят необратима повреда на основните компоненти. Изследвайки характеристиките на ефективността на водната електролиза на PEM за производство на водород при променливо захранване от вятърна и слънчева енергия, механизмът на затихване и методите за оценка на компонентите на PEM електролизера са от голяма стойност за изследването и развитието на ключови технологии за компоненти на PEM електролизера.

1. Колебанията на вятърната и слънчевата енергия оказват значително влияние върху електролитните клетки
Обикновено входното напрежение на електролитната клетка се контролира в определен диапазон; когато входната мощност на електролитната клетка варира, напрежението на електролитната клетка се променя леко, докато токът варира значително. Когато контролът за стабилизиране на напрежението се възприеме в практически приложения, след като входната мощност на електролитната клетка се промени, токът ще се колебае рязко, което ще доведе до рязка промяна в скоростта на реакция на електрода, което ще доведе до отклонение на електролитната клетка от стабилното работно състояние. Поради наличието на свръхнапрежение на електродната реакция, входното напрежение е значително по-високо от теоретичното напрежение; въпреки че реакцията на електролиза на водата е ендотермична реакция, джауловата топлина, генерирана от омични загуби, причинява постепенно повишаване на температурата на електролитната клетка с течение на времето дори при стабилни условия на захранване. От работните характеристики на електролитната клетка при симулирани условия на вятърна енергия може да се види, че температурата се променя с колебанията на генерирането на електроенергия при преходни работни условия. След като температурата на електролитната клетка спадне, скоростта на реакцията на електрода се забавя и ефективността намалява. Увеличаването на мощността води до повишаване на температурата, а увеличаването на добивите на кислород и водород върху повърхността на електрода води до прикрепване на мехурчета към повърхността на електрода, като по този начин се увеличава съпротивлението на пренос на йони на слоя катализатор и се намалява ефективната реакционна площ , като по този начин генерира по-висок реакционен свръхпотенциал, което води до повишаване на напрежението на електролитната клетка. Закрепването и потокът от мехурчета също водят до неравномерно подаване на електролит върху повърхността на електрода, причинявайки неравномерна реакция и локални горещи точки по повърхността на електрода.
През последните години темата за въздействието на променливото захранване от вятъра и слънчевата енергия върху затихването на производителността или стареенето на електролитните клетки получи много внимание от учени в страната и чужбина, но някои заключения са различни. Чрез 500-h тест за издръжливост на електролитната клетка PEM бяха изяснени работните характеристики на електролитната клетка при различни режими на работа и беше установено, че в режим на работа с бърз цикъл (симулиращ фотоволтаично генериране на енергия), тъй като омичното съпротивление намалява производителността на електролитната клетка беше подобрена. След 1000-часовия тест за издръжливост на PEM електролитната клетка беше установено, че скоростта на затихване на производителността на електролитната клетка е 194 μV/h, а 78% от затихването идва от увеличаването на омичното съпротивление на анодно-порестия слой; затихването на производителността на електролитната клетка беше значително облекчено при условията на вятърно и слънчево променливо електрозахранване, тъй като вятърното и слънчево променливо захранване възстановиха частично обратимата деградация и отслабиха проблема с деградацията на електрода. Дългосрочната стабилност на работата на електролитната клетка при различни входни характеристики и нейният механизъм на затихване все още се нуждаят от допълнително проучване.

2. Флуктуациите на вятърната и слънчевата енергия ускоряват разграждането на компонентите на електролитните клетки
1). Каталитичен слой
Каталитичният слой на електролитната клетка обикновено се състои от катализатор (като благородни метали като Pt, RuO2, Ir, IrO2) и свързващо вещество (като перфлуоросулфонова киселина). За да се повиши издръжливостта, каталитичният слой обикновено се зарежда с някои проводящи носители, като TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Горните катализатори могат да отговорят на изискванията за висока производителност на PEM електролитни клетки, но издръжливостта при тежки работни условия е трудно да бъде задоволителна. Работата на анода се влошава по-сериозно при условия на ниско натоварване на катализатора и съответните механизми на затихване включват главно разтваряне, агломерация и пасивация на носителя. След 5500 h тест за издръжливост на PEM електролитна клетка беше установено, че корозията на каталитичния слой и разграждането на Pt катализатора са основните фактори, водещи до влошаване на производителността.
2). Обменна мембрана
В традиционните PEM електролизатори, обменната мембрана се използва за отделяне на газообразни реакционни продукти, транспортиране на протони и поддържане на катодните и анодните каталитични слоеве. Той трябва да има отлична химическа стабилност, механична якост, термична стабилност, протонна проводимост и други характеристики. Влошаването на производителността на обменната мембрана се дължи главно на замърсяване на мембраната или химическо разграждане. От гледна точка на безопасността и надеждността, издръжливостта на мембраната е от решаващо значение за електролизера. Повредата на мембраната може да доведе до директно смесване на генерирания водород и кислород. Механизмът на разграждане на обменната мембрана се разделя главно на три вида: механично разграждане, термично разграждане и химическо/електрохимично разграждане.
3). Биполярна плоча
Биполярната пластина е многофункционален компонент на електролитната клетка. Той ефективно провежда електрони, осигурява канали за транспортиране на реагент/продукт, поддържа механичната стабилност и целостта на оборудването и служи като компонент на термичното управление. Като основен компонент на електролитната клетка, цената представлява около 48% от PEM електролитната клетка. Неговият дизайн и производство трябва да отговарят на изискванията за висока проводимост, устойчивост на корозия, ниска цена и висока механична якост. Въпреки това, промените в напрежението/тока при променливо захранване от вятърна и слънчева енергия водят до неравномерни или драстични промени в температурата на електролитната клетка, което води до неравномерно разпределение на напрежението или повтарящи се промени в напрежението, което води до повишено съпротивление при контакт и механично натоварване , което в крайна сметка се отразява на издръжливостта на електролитната клетка.

3. Метод за симулация на вятърни и слънчеви колебания в захранването
Разработването на ускорен тест за разпадане, оценка на живота и схеми за изследване на издръжливостта на електролитни клетки и техните компоненти ще помогне да се оцени поведението на разпадане на материалите и да се разбере по-добре механизмът на разпадане на материалите. Издръжливостта на PEM електролитните клетки се оценява главно чрез постоянен ток при определени условия на температура и налягане. Времето за изпитване на живота на електролитните клетки е сравнително дълго (>4×104 h), а съответната цена за оценка на издръжливостта е сравнително висока. Понастоящем няма стандартизиран и общоприет метод за оценка на дълготрайността на компонентите на PEM електролитни клетки. Академичните и индустриални кръгове в Европа отдавна са се ангажирали да характеризират, тестват и оценяват производителността, ефективността и издръжливостта на електролитните клетки и са натрупали богат опит. Представителните работи включват: използване на ускорени методи за стрес тестове за оценка на химическата стабилност на мембраните в PEM електролитни клетки; изучаване на ефектите от различните форми на вълните на входяща мощност на вятъра и слънчевата енергия върху разграждането на PEM електролитни клетки и вярването, че източниците на захранване с правоъгълна вълна и трионообразна вълна значително ускоряват разграждането на електродите; предлагайки да се симулира режимът на стартиране и изключване на електролитни клетки чрез постоянен ток и напрежение на отворена верига и установяване, че условията на отворена верига могат да ускорят намаляването на производителността на електролитните клетки. Обикновено се смята, че ускореното затихване обикновено е свързано с плътността на тока, налягането и температурата, но все още липсват методи за изпитване на ускорено затихване за електролитни клетки при вятърни и слънчеви променливи източници на енергия и свързани стандартизирани планове за внедряване. Методите за изпитване при условия на един фактор са трудни за цялостна оценка на характеристиките на затихване на електролитни клетки при вятърни и слънчеви променливи източници на енергия.