Pembangunan dan aplikasi teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air membran pertukaran proton di bawah turun naik tenaga angin dan suria II

Pembangunan dan aplikasi teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air membran pertukaran proton di bawah turun naik tenaga angin dan suria II

II. Ciri asas penghasilan hidrogen oleh Elektrolisis air PEM di bawah angin dan bekalan kuasa turun naik solar
Di bawah bekalan kuasa angin dan tenaga suria yang turun naik, parameter kerja elektrolisis mengalami perubahan sementara, yang boleh menyebabkan kerosakan tidak dapat dipulihkan pada komponen utama. Meneroka ciri prestasi elektrolisis air PEM untuk pengeluaran hidrogen di bawah bekalan kuasa angin dan tenaga suria yang turun naik, mekanisme pengecilan dan kaedah penilaian komponen elektrolisis PEM mempunyai nilai yang tinggi untuk penyelidikan dan pembangunan teknologi utama untuk komponen elektrolisis PEM.

1. Turun naik tenaga angin dan suria mempunyai kesan yang ketara ke atas sel elektrolitik
Biasanya, voltan masukan sel elektrolitik dikawal dalam julat tertentu; apabila kuasa input sel elektrolitik turun naik, voltan sel elektrolitik berubah sedikit, manakala arus turun naik dengan ketara. Apabila kawalan penstabilan voltan diguna pakai dalam aplikasi praktikal, apabila kuasa input sel elektrolitik berubah, arus akan turun naik secara mendadak, yang akan menyebabkan perubahan mendadak dalam kadar tindak balas elektrod, menyebabkan sel elektrolitik menyimpang daripada keadaan operasi yang stabil. Oleh kerana kewujudan tindak balas elektrod lebih potensi, input voltan adalah jauh lebih tinggi daripada voltan teori; walaupun tindak balas elektrolisis air adalah tindak balas endotermik, haba Joule yang dihasilkan oleh kehilangan ohmik menyebabkan suhu sel elektrolitik meningkat secara beransur-ansur dari semasa ke semasa walaupun dalam keadaan bekalan kuasa yang stabil. Daripada ciri-ciri kerja sel elektrolitik di bawah keadaan kuasa angin simulasi, dapat dilihat bahawa suhu berubah dengan turun naik penjanaan kuasa di bawah keadaan operasi sementara. Selepas suhu sel elektrolitik menurun, kadar tindak balas elektrod menjadi perlahan dan kecekapan berkurangan. Meningkatkan kuasa membawa kepada peningkatan suhu, dan peningkatan dalam hasil oksigen dan hidrogen pada permukaan elektrod membawa kepada lampiran buih pada permukaan elektrod, dengan itu meningkatkan rintangan pemindahan ion lapisan mangkin dan mengurangkan kawasan tindak balas yang berkesan , dengan itu menjana tindak balas lebih potensi yang lebih tinggi, mengakibatkan peningkatan dalam voltan sel elektrolitik. Lekatan dan pengaliran gelembung juga membawa kepada bekalan elektrolit yang tidak sekata pada permukaan elektrod, menyebabkan tindak balas tidak sekata dan titik panas setempat pada permukaan elektrod.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, topik mengenai kesan bekalan kuasa turun naik angin dan suria terhadap pengecilan prestasi atau penuaan sel elektrolitik telah mendapat banyak perhatian daripada para sarjana di dalam dan luar negara, tetapi beberapa kesimpulan adalah berbeza. Melalui ujian ketahanan 500 jam sel elektrolitik PEM, ciri prestasi sel elektrolitik di bawah mod operasi yang berbeza telah dijelaskan, dan didapati bahawa dalam mod operasi kitaran pantas (mensimulasikan penjanaan kuasa fotovoltaik), apabila rintangan ohmik berkurangan , prestasi sel elektrolitik telah dipertingkatkan. Selepas ujian ketahanan 1000-h sel elektrolitik PEM, didapati bahawa kadar pengecilan prestasi sel elektrolitik ialah 194 μV/j, dan 78% daripada pengecilan itu datang daripada peningkatan rintangan ohmik bagi anod-porous. lapisan; pengecilan prestasi sel elektrolitik telah dikurangkan dengan ketara di bawah keadaan bekalan kuasa turun naik angin dan suria, kerana bekalan kuasa turun naik angin dan suria sebahagiannya memulihkan degradasi boleh balik dan melemahkan masalah degradasi elektrod. Kestabilan jangka panjang prestasi sel elektrolitik di bawah ciri input yang berbeza dan mekanisme pengecilannya masih memerlukan kajian lanjut.

2. Turun naik tenaga angin dan suria mempercepatkan degradasi komponen sel elektrolitik
1). Lapisan pemangkin
Lapisan pemangkin sel elektrolitik biasanya terdiri daripada pemangkin (seperti logam berharga seperti Pt, RuO2, Ir, IrO2) dan pengikat (seperti asid perfluorosulfonik). Untuk meningkatkan ketahanan, lapisan pemangkin biasanya dimuatkan dengan beberapa bahan pembawa konduktif, seperti TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Pemangkin di atas boleh memenuhi keperluan prestasi tinggi sel elektrolitik PEM, tetapi ketahanan dalam keadaan operasi yang keras sukar untuk memuaskan. Prestasi anod lebih teruk terdegradasi di bawah keadaan pemuatan mangkin yang rendah, dan mekanisme pengecilan yang sepadan terutamanya termasuk pembubaran, penggumpalan, dan pempasifan pembawa. Selepas ujian ketahanan selama 5500 jam pada sel elektrolitik PEM, didapati bahawa kakisan lapisan pemangkin dan degradasi mangkin Pt adalah faktor utama yang membawa kepada kemerosotan prestasi.
2). Membran pertukaran
Dalam elektrolisis PEM tradisional, membran pertukaran digunakan untuk memisahkan produk tindak balas gas, mengangkut proton, dan menyokong lapisan pemangkin katod dan anod. Ia perlu mempunyai kestabilan kimia yang sangat baik, kekuatan mekanikal, kestabilan haba, kekonduksian proton dan ciri-ciri lain. Kemerosotan prestasi membran pertukaran terutamanya disebabkan oleh pencemaran membran atau kemerosotan kimia. Dari perspektif keselamatan dan kebolehpercayaan, ketahanan membran adalah penting untuk elektrolisis. Kerosakan membran boleh menyebabkan hidrogen dan oksigen yang dihasilkan bercampur secara langsung. Mekanisme degradasi membran pertukaran terutamanya dibahagikan kepada tiga jenis: degradasi mekanikal, degradasi haba, dan degradasi kimia/elektrokimia.
3). Plat bipolar
Plat bipolar ialah komponen pelbagai fungsi sel elektrolitik. Ia menghantar elektron dengan berkesan, menyediakan saluran untuk pengangkutan bahan tindak balas/produk, mengekalkan kestabilan mekanikal dan integriti peralatan, dan berfungsi sebagai komponen pengurusan haba. Sebagai komponen utama sel elektrolitik, kos menyumbang kira-kira 48% daripada sel elektrolitik PEM. Reka bentuk dan pembuatannya harus memenuhi keperluan kekonduksian tinggi, rintangan kakisan, kos rendah, dan kekuatan mekanikal yang tinggi. Walau bagaimanapun, perubahan voltan/arus di bawah bekalan kuasa angin dan tenaga suria yang turun naik membawa kepada perubahan tidak sekata atau drastik dalam suhu sel elektrolitik, mengakibatkan pengagihan tegasan tidak sekata atau perubahan tegasan berulang, mengakibatkan peningkatan rintangan sentuhan dan ketegangan prestasi mekanikal , yang akhirnya menjejaskan ketahanan sel elektrolitik.

3. Kaedah simulasi bekalan kuasa turun naik angin dan suria
Membangunkan ujian pereputan dipercepatkan, penilaian hayat dan skim penyelidikan ketahanan untuk sel elektrolitik dan komponennya akan membantu menilai tingkah laku pereputan bahan dan lebih memahami mekanisme pereputan bahan. Ketahanan sel elektrolitik PEM dinilai terutamanya oleh arus malar di bawah keadaan suhu dan tekanan tertentu. Masa ujian hayat sel elektrolitik agak lama (>4×104 jam), dan kos penilaian ketahanan yang sepadan adalah agak tinggi. Pada masa ini, tiada kaedah penilaian ketahanan piawai dan diterima umum untuk komponen sel elektrolitik PEM. Bulatan akademik dan industri di Eropah telah lama komited untuk mencirikan, menguji dan menilai prestasi, kecekapan dan ketahanan sel elektrolitik, dan telah mengumpul pengalaman yang kaya. Kerja-kerja perwakilan termasuk: menggunakan kaedah ujian tekanan dipercepatkan untuk menilai kestabilan kimia membran dalam sel elektrolitik PEM; mengkaji kesan bentuk gelombang input kuasa turun naik angin dan suria yang berbeza pada degradasi sel elektrolitik PEM, dan percaya bahawa gelombang persegi dan bekalan kuasa gelombang gigi gergaji mempercepatkan degradasi elektrod dengan ketara; mencadangkan untuk mensimulasikan mod operasi permulaan dan penutupan sel elektrolitik dengan voltan arus dan litar terbuka malar, dan mendapati keadaan litar terbuka boleh mempercepatkan pereputan prestasi sel elektrolitik. Secara amnya dipercayai bahawa pengecilan dipercepatkan biasanya berkaitan dengan ketumpatan, tekanan dan suhu semasa, tetapi masih terdapat kekurangan kaedah ujian pengecilan dipercepatkan untuk sel elektrolitik di bawah sumber kuasa turun naik angin dan suria serta pelan pelaksanaan piawai yang berkaitan. Kaedah ujian dalam keadaan faktor tunggal adalah sukar untuk menilai secara menyeluruh ciri-ciri pengecilan sel elektrolitik di bawah sumber kuasa angin dan suria yang turun naik.