在可再生能源中,通过电解方法制氢由于其作为储能介质的潜力而非常有前途。质子交换膜(PEM)具有效率高、电流密度大、温度范围低、响应速度快等优点,是目前电解制氢技术的主流之一。有关 PEM 电解制氢的研究大多集中在 PEM 电解制氢的演示、新催化剂的开发以及新质子交换膜电解质的开发。然而,系统和给水的优化仍是一项挑战(非常重要)。因此,本研究调查了水质对 PEM 电解槽能耗的影响,重点是总溶解固体(TDS)、水的 pH 值和电导率(当然这三个因素多数时候是相互影响的)。
PEM 电解槽的效率和能耗取决于进水水质。本研究从水的pH 值(3、7、9)、总溶解固体(TDS:Total Dissolved Solids )值(300ppm、600ppm、900ppm)和电导率值( conductivity :30mS/cm、70mS/cm、100mS/cm)三个影响水性质的参数进行验证,以了解和优化使用 PEM 电解槽生产氢气的过程。研究结果表明,制氢量受 pH 值、溶解性总固体和电导率的显著影响,通过大量测试确定了各变量的最佳水平。
1.2、PH值对能耗的影响
电解液的 pH 值会影响系统的能耗。pH值会影响电解液的电导率,进而影响电解过程的效率。通常,PEM 电解槽的最佳 pH 值范围在 7 到 9 之间。pH 值越高,电解液的导电性越强,从而可以提高电解过程的效率。但是,如果 pH 值过高,电解槽中的膜可能会受损,从而导致性能下降和能耗增加。另一方面,如果 pH 值过低,电解液的导电性可能会降低,从而导致效率降低和能耗增加。此外,pH 值过低会导致膜干涸,这也会降低性能并增加能耗。下图2显示,pH 值较低时,PEM 电解槽的能耗会增加。在 pH 值为 8 时,能耗最低,为 45kwh/m3 H2。随着 pH 值的升高或降低,能耗开始增加。
2.1、TDS对产气的影响
在评估三种不同的 TDS 浓度时,300 ppm 为低浓度,600 ppm 为中浓度,900 ppm 为高浓度。结果与其他研究结果一致。结果表明,由于 TDS 浓度上升,氢气和氧气的产生量增加,这可能是促进氢气形成的催化剂。由此得出结论,从水中产生氢气在 TDS 水平较高时更有利,而在低浓度时产量有限,这表明在 TDS 水平为零时可能不会产生任何氢气,如下图3 所示:
2.2、TDS对能耗的影响
总溶解固体(TDS:Total Dissolved Solids )会对质子交换膜(PEM)电解槽的能耗产生重大影响。TDS 指的是溶解在水中的所有无机和有机物质的浓度。当这些物质存在于电解槽所用的水中时,会影响电解槽的性能和效率。水中的 TDS 会增加水的导电性,从而导致电解所需的电解池电压升高。电池电压的增加会导致电解槽能耗的增加。此外,TDS 还会导致电极和膜结垢,从而降低电解槽的效率,进一步增加能耗。为了减轻 TDS 对能耗的影响,必须确保 PEM 电解槽使用的水纯度高、TDS 浓度低。如下图4所示,反渗透和去离子等水处理技术可用于去除水中的 TDS,从而提高 PEM 电解槽的效率并降低其能耗。
影响 PEM 电解槽能耗的另一个关键因素是电导率。降低阳极 OER 所需的过电位可以减少能源需求,这体现在电导率值越高,也意味着电解质溶液中的离子浓度越高。然而,高电导率也会增加膜恶化的几率,并增加泵送所需的能量。氢气的产生在很大程度上取决于电导率,多项研究表明,通过使用不同的溶液来提高电导率,可以实现不同的电导率,从而提高氢气的产生。在下图5所示的 30 到 100 的三个不同电导率值下对水样进行了分析,得出了类似的结果。
4、不同水质对PEM电解槽能耗的影响 高纯氢气发生器
海水、井水和去离子水是可能影响质子交换膜(PEM)电解槽能量需求的三种不同类型的水。海水中含有大量的溶解盐、矿物质和其他污染物。由于这些污染物增加了水的导电性,电解槽的电阻也随之增加。由于克服电阻需要更多的能量,电解过程就会减慢。为了提供所需的电流,需要更高的电压,这也导致了能源使用量的总体上升。井水中的溶解盐和污染物通常比海水低得多。矿物质和其他可能干扰电解的物质可能仍然存在。井水的成分究竟如何影响能源使用量,这在一定程度上还不确定。处理井水所需的能量通常低于处理海水或去离子水所需的能量。去离子水是通过去离子处理过程去除矿物质离子的水。它也被称为去离子水和蒸馏水。去离子水的导电率远远低于海水和井水。因此,它在电解过程中的电阻较低,产生相同的电流所需的能量也较少。在 PEM 电解槽中使用去离子水可提高能效。去离子水的导电性较差,可能有利于节约能源,但它不含电解槽电化学反应所需的任何离子。应根据 PEM 电解槽系统的具体设计和运行情况,仔细考虑水质需求,因为这些离子对保持电解槽组件的性能和寿命非常重要。
总之,PEM水电解我们通常更关注电解槽本身而忽略了BOP的重要性。很多人也觉得PEM的BOP要比碱性的更简单。其实尽管PEM不需要像碱性一样庞大的气液分离系统,但是如何管理好纯水的质量也非常重要,管理好纯水的质量不仅能高效运行也有助于提高使用寿命。如有PEM电解系统整套方案以及成熟BOP需求的也可以联系我!