Влияние на качеството на водата върху потреблението на енергия при производството на водород с електролитен метод на PEM

Технологията за електролиза с протоннообменна мембрана (PEM) се е превърнала в един от основните методи поради високата си ефективност, голямата плътност на тока, широката температурна адаптивност и бързата скорост на реакция. Въпреки че повечето изследвания се фокусират върху демонстрацията на PEM електролизатори, разработването на нови катализатори или подобренията в протоннообменните мембрани, оптимизацията на системата и захранващата вода остава критично предизвикателство. Следователно, това проучване акцентира върху влиянието на параметрите за качество на водата, включително pH, общо разтворени твърди вещества (TDS) и проводимост, върху консумацията на енергия на PEM електролизаторите за оптимизиране на производството на водород. Тези параметри често са взаимосвързани и влияят върху производителността на електролизата.

Принципът на работа на PEM електролизатор включва електрохимично разлагане на водата на водород и кислород на електродите. Тъй като водата е основната реакционна среда, нейното качество влияе пряко върху ефективността на електролизата и консумацията на енергия. Ключови фактори за качеството на водата включват pH, TDS и проводимост. Например, pH може да промени потенциала на реакцията за редукция на кислород, като по този начин повлияе на консумацията на енергия, но екстремните нива на pH могат да причинят разграждане на мембраната. Ниската проводимост може да помогне за намаляване на консумацията на енергия, но прекомерно високата проводимост може да повреди мембраната. TDS е свързан с проводимостта на водата и може да причини проблеми с котлен камък. Американското дружество за изпитване и материали (ASTM) препоръчва използването на дейонизирана вода тип I (общ органичен въглерод) <50 ppb, съпротивление >1 MΩ·cm, натрий и хлор <5 µg/L). Въпреки това, реалните водоизточници често съдържат примеси, което увеличава разходите за пречистване. Проучванията показват, че не се произвежда водород, когато TDS е нула, докато високите нива на TDS (0–2000 ppm) спомагат за увеличаване на производството.

1. Влияние на pH върху производството на газ и потреблението на енергия

Ефективността на PEM електролизата на вода за производство на водород (включително производството на газ и консумацията на енергия) е тясно свързана с pH на електролита. Основното изискване е pH да остане в „оптималния диапазон“, проектиран за електролизната система. Отклонението от този диапазон (твърде киселинно или твърде алкално) значително ще намали производителността на системата. Прекалено киселинните или алкалните среди могат да изместят катализаторите от оптималните им работни условия, да намалят химическата им активност или дори да причинят структурни повреди, което води до по-бавни скорости на реакцията на отделяне на водород (HER) и реакцията на отделяне на кислород (OER). Освен това, екстремните pH условия могат да повлияят на състоянието на хидратация и химическата стабилност на протонната обменна мембрана (PEM), възпрепятствайки ефективния транспорт на H⁺ и причинявайки „прекъсвания на снабдяването“ с реагенти. Прекалено киселинната среда може да корозира електродите и да доведе до отлагания, покриващи активните центрове, докато прекалено алкалната среда може да причини утаяване на примеси, което не само увеличава разхода на енергия, но и допълнително възпрепятства генерирането на газ, което води до намалено производство на газ.

2. Влияние на общото количество разтворени твърди вещества (TDS) върху производството на газ и потреблението на енергия

TDS се отнася до общата концентрация на неорганични и органични вещества, разтворени във вода, и е ключов индикатор за оценка на качеството на водата. Производството на газ се увеличава с по-високи концентрации на TDS, тъй като високите нива на TDS могат да действат като катализатор за насърчаване на образуването на водород. Обратно, ниските нива на TDS водят до ограничено производство на газ и не се произвежда водород, когато TDS е нула.

TDS влияе значително върху консумацията на енергия. Високата TDS увеличава проводимостта на водата, но повишава напрежението на електролизера, което води до по-висока консумация на енергия. Едновременно с това, TDS може да причини котлен камък по електродите или мембраните, намалявайки ефективността. За да се смекчат тези ефекти, се препоръчват технологии за пречистване на вода (като обратна осмоза или дейонизация), за да се намали TDS и да се оптимизира консумацията на енергия.

3. Влияние на проводимостта върху производството на газ

Проводимостта е друг важен параметър, отразяващ концентрацията на йони във водата. Високата проводимост може да намали свръхпотенциала на анодната реакция на редукция на кислорода (OER), намалявайки енергийните нужди. Прекалено високата проводимост обаче увеличава риска от влошаване на мембраната и консумацията на енергия за изпомпване.

4. Влияние на различните качества на водата върху потреблението на енергия

Сравнение на ефектите на морска вода, вода от кладенец и дейонизирана вода върху PEM електролизатори:

• ​​Морска вода​​: Високото съдържание на разтворени соли и минерали увеличава проводимостта, но също така повишава съпротивлението, което изисква по-високо напрежение и води до повишена консумация на енергия.

• ​​Кладенска вода: По-малко разтворени вещества обикновено водят до по-ниска консумация на енергия в сравнение с морската вода, но несигурността в минералния състав представлява предизвикателство.

• Дейонизирана вода: Ниската проводимост намалява съпротивлението и подобрява енергийната ефективност, но липсата на необходими йони изисква предпазлива употреба въз основа на дизайна на системата.

5. Значение на управлението на качеството на водата

PEM електролизата на вода често се фокусира върху самия електролизатор, но спомагателните системи (BOP), по-специално управлението на захранващата вода, са също толкова важни. Оптимизирането на параметрите за качество на водата (pH, TDS, проводимост) не само повишава ефективността и производството на газ, но и удължава живота на оборудването. Въпреки че BOP за PEM системи е по-опростен от този за алкалните системи, контролирането на качеството на чистата вода остава ключов фактор за постигане на ефективна и стабилна работа.