1产氢率、电耗及气体质量
作为氢气生产设备,水电解系统最重要的技术特征是氢气的产出率和电力需求。产氢的气体质量和压力对这些KPIs有影响,但主要由应用需求决定。
1.1产氢率 PEM制氢设备
产氢速率一般用标准立方米/小时[Nm3 h-1]表示。在气体工业中,通常以273.15K在101.325kPa和相对湿度为0%下度量,这被称为温度和压力的标准条件(STP)。STP不应与热力学计算中常用的标准状态相混淆。为了避免这种混淆,产氢速率也可以用千克每小时[kg h-1]来表示。在系统层面上,产氢速率考虑了气体提纯和干燥过程中氢气的损失,以获得所需的氢气纯度。
1.2电耗
电能是低温PEM水电解系统的唯一能量来源,因此对系统效率的计算至关重要。电力需求是指在设定的产氢速率、纯度以及电解堆的公称压力和温度下,水电解系统能够连续运行所需的标称电力。
1.3气体质量 高纯氢气发生器
氢气压力是指水电解系统在出口处的压力,具体测量位置是在控制阀之后,即氢气经过气体净化和气体干燥阶段后(这两个过程都会导致压降)。氢气出口压力通常以[bar]或[MPa]为单位表示。
从电解堆排出的氢气纯度未达到SAE J2719《燃料电池汽车用氢燃料质量》标准,其主要杂质为氢气流中的氧气和水蒸气。氢气净化通常需要额外的电能,或通过气体干燥导致部分氢气损失,例如在变压吸附(PSA)装置中进行净化。在大多数情况下,气体纯度以十进制分数表示,其中第一个数字代表纯度百分比中9的数量,最后一个数字代表百分比值的最后一位。例如,99.998%的纯度可简写为4.8纯度。
02效率、寿命与降解
2.1效率
水电解系统的效率是最重要的系统参数之一。然而,由于系统设计和操作策略的多样性,精确定义这一参数可能非常复杂。效率不应与容量因子混淆。容量因子是指在一段时间内,实际氢气产量与系统在标称功率下可能产出的氢气量的比率。容量因子考虑了部分负载、过载运行、备用状态以及启动/停止过程,因此它依赖于具体的应用和操作策略。
效率可以通过产生氢气的能量含量与供电功率的比率来表示,基于低热值(LHV)或高热值(HHV)。为避免混淆,水电解系统制造商通常会提供在标称运行条件下生产一标方立方米氢气所需的具体电力需求,以[kWh Nm-3]为单位。
2.2寿命
寿命是水电解系统的另一个关键绩效指标(KPI),但这一术语通常相当模糊。一般来说,技术系统的寿命是指在不更换核心部件或未发生系统完全失效的情况下,设备能够持续运行的时间。
在这方面,存在不同的标准来确定技术设备的寿命:
(1)关键部件故障导致无法继续运行;
(2) 维修费用过高,使进一步使用变得不经济;
(3)系统设计时设定了有限的使用寿命。根据这些定义和标准,有必要区分电解电堆、模块和系统各自的寿命。
电堆的寿命通常以在标称负载下运行的小时数来表示,直至需要制造商进行更换以及随后的大修或回收。在研究和开发阶段,电堆寿命通常以“平均寿命”形式给出,例如,直到膜失效为止。然而,对于商业电堆而言,寿命应明确为“使用寿命”,即在需要更换之前可接受的使用周期。电堆的寿命终止可能由用户自行决定,例如通过设定电堆效率的最低阈值来判断。
电解模块的寿命通常以运行年限来表示,描述模块能够全天候连续运行的时间。然而,在达到预期寿命之前,由于某些部件的使用寿命较短,通常需要对这些组件进行维护。
完整的水电解系统的寿命通常也以年为单位表示。然而,由于实际原因,不建议为所有不同的子系统统一定义一个寿命周期。
2.3降解 水电解制氢设备
化学降解是指化合物分解为中间产物或其性质发生改变,导致最初期望的性能下降。在电解槽中,各种降解机制可能发生,进而缩短电堆的寿命。电池内部降解的主要表现是电压衰减,这与为了保持恒定的产氢速率,必须施加更高的过电位有关。电压衰减通常以μV/工作小时(μV h-1)或mV/千小时(mV (1000 h)-1)为单位表示。
衰减率主要反映了电催化剂的老化和电池阻抗的增加,这可能由于接触电阻的升高(钝化过程)以及膜导电性的降低所引起。为了监测电池的内阻,高频阻抗是另一个关键性能指标(KPI),但更多用于实验室研究。
氢气和氧气的纯度也是评估电池内部降解的一个重要KPI,主要受到膜状态的影响。由于化学降解或膜的机械损伤,膜变薄会降低气密性,导致产物气体中掺杂杂质。
主要杂质是阳极侧氧气中的氢和阴极侧氢气中的氧,这是由于气体经膜的迁移过程引起的。这些杂质通常以百万分之一(ppm)或干燥气体体积的百分比(vol%)表示。确切的杂质含量通常只能在研究和开发中测量,而在商业产品中,通常监测电解模块出口或系统级精细化净化后的阈值。