Анализа на функционални фактори кои влијаат на перформансите на електролизата на водата PEM

1. Ефект на температурата врз ефикасноста на PEMWE

Електролитичкиот оџак треба да се управува под услови на висока температура за да се постигнат високи перформанси. Оперативната температура влијае на реверзибилниот напон, омската пренапон и преносот на полнење на пренасочување на катодата и анодата, со што влијае на перформансите на ПЕМ (како што е прикажано на слика 1 подолу). Зголемената температура може да го минимизира омскиот пренапон, реверзибилниот напон и активирањето на пренапон во регионите на катодата и анодата.

Слика 1: Ефект на температурата на напонот на клетките на PEMWE на 0,8 A/CM2 и 0,2 MP и ширина од 60 μ слој

Стапката на реакција на електродата се зголемува со зголемување на температурата, што резултира во зголемување на густината на струјата на размената, што ја намалува активирањето на надминатот. Спроведени се неколку студии за да се испита ефектот на температурата врз перформансите на PEMWE. Резултатите генерално покажуваат дека:

Под истотоНештоУсловите, зголемувањето на температурата предизвикува промена во густината на струјата и зголемувањето на јонската спроводливост има значителен позитивен ефект врз ефикасноста на PEMWE; Зголемувањето на температурата го намалува потенцијалот за активирање, што резултира во експоненцијално зголемување на ефикасноста; Ефектот на температурата врз ефикасноста на ПЕМ во температурниот опсег од 293-373 К, зголемувањето на оперативната температура ја намалува енергијата потребна за да се добие истата густина, што помага во подобрување на ефикасноста на ПЕМ. Накратко, зголемувањето на температурата ја подобрува јонската спроводливост и електрохемиската активност. Покрај тоа, резултатите покажуваат дека ефектот на температурата станува многу значаен при поголема густина на струјата (види слика 2 подолу).

Слика 2: I-V карактеристични криви на електролиза на вода PEM на различни работни температури

Сепак, постои ограничување на подобрувањето на перформансите на батеријата со зголемување на температурата, бидејќи електролитот испарува кога оперативната температура надминува 100 ° C. При нормален притисок, со оглед на тоа што водата испарува на температури над 373 K, температурата не треба да се зголемува над 373 K, а водата треба да се ликвидира за да се одржи јонската спроводливост на електролитниот слој. Температурата се зголемува над 100 ° C доведува до минимални проблеми со заситеност на течноста и недостиг на вода, што може да се избегне со работа под притисок. Покрај тоа, водата мора да се прочисти пред да се користи во PEMWE, бидејќи непрочистената вода може да ги деградира материјалите и компонентите на PEMWE. Зголемената температура ја забрзува деградацијата на мембранските материјали под термички стрес, предизвикувајќи ја мембраната да биде тенка со текот на времето. Покрај тоа, како резултат на термичката експанзија помеѓу мембраната и другите компоненти во електролизерот, зголемената температура создава механички стрес во мембраната, што резултира во опаѓање на дебелината на мембраната. Покрај тоа, ако условите за работа не се строго контролирани, зголемувањето на температурата ќе предизвика дехидрат на мембраната, со што ќе се намали дебелината на мембраната, бидејќи полимерната структура ќе пропадне малку без доволно вода за да ја одржи својата проширена состојба.

Покрај тоа, како што се намалува температурата, пропустливоста на гасот преку мембраната се намалува и се намалува и количината на водород што проникнува низ слојот на мембраната. Покрај тоа, некои студии исто така истакнаа дека оптималната работна температура наПЕМ Електролцерќе се намали за да се достигне температурата на околината под ниска густина на струјата.

1.2 Ефект на притисокот на катодата врз перформансите на ПЕМ

Кога катодата се оперира со поголем притисок, стапката на производство на водород ќе се зголеми бидејќи високиот притисок може да ја зголеми стапката на пренесување на масата на реактантите и производите на мембраната. Покрај тоа, како резултат на зголемувањето на притисокот, се намалува енергијата потребна за промена на фазата од течност во гас, што може да ја промени рамнотежата на пареата на вода, со што се подобрува енергетската ефикасност. Покрај тоа, при поголеми притисоци, прекумерната реакција потребна за реакција на водородот ќе се намали, исто така, ќе се намали, со што се подобрува ефикасноста на напонот на процесот на електролиза на електролиза PEM. Како и да е, зголемувањето на притисокот на катодата предизвикува h+ јони да се движат во спротивна насока од анодата до катодата, што резултира во зголемување на пренапон и ја забавува електрохемиската реакција (види слика 3 подолу). Затоа, зголемувањето на притисокот на катодата може негативно да влијае на енергетската ефикасност и енергетските перформанси на PEMWE.

Слика 3: I-V карактеристични криви со различни катодни притисоци.

Кога притисокот на анодата се чува под атмосферски притисок, студија за ефектот на промените на притисокот во катодниот регион врз ефикасноста на PEMWE покажува дека ефикасноста на PEMWE се намалува со зголемен притисок; При висока густина на струјата, ефектот на притисок врз зголемувањето на реверзибилниот напон на клетките е поочигледен од ефектот врз намалувањето на пренапон, а потребниот напон на клетките се зголемува со зголемување на притисокот на катодата. Покрај тоа, кога притисокот се зголемува од 1000 kPa на 2000 kPa, влезната струја исто така се зголемува. Исто така, постојат студии кои го анализираат ефектот на притисокот на катодата врз перформансите на ПЕМ, а резултатите покажуваат дека намалувањето на притисокот на катодата од 4BAR на 1BAR може да го намали напонот наPEM електролизер за 4,8%. Покрај тоа, зголемувањето на водородниот притисок ги намалува перформансите на Фарадеј. Иако зголемувањето на притисокот на катодата може да ја подобри ефикасноста на реакцијата на електролиза, енергијата потребна за компресирање на водородните неутрализирања на овие придобивки. Во однос на стабилноста и безбедноста, зголемениот притисок го зголемува механичкиот стрес на компонентите на системот, негативно влијае на нивната издржливост и услужниот век. Ова доведува до зголемени трошоци за капитал и одржување заради потребата од поцврсти и издржливи материјали и компоненти. Покрај тоа, ризикот од истекување на водород се зголемува, што бара силни безбедносни мерки за управување со овој ризик.

3. Ефект на густината на тековнатаPEM електролизапроизводство на водород

Тековната густина има значително влијание врз многу аспекти на процесот на електролиза, вклучувајќи ефикасност на системот, стапка на генерирање на водород и живот на системот. Зголемувањето на густината на струјата доведува до зголемување на стапката на електрохемиски реакции што се јавуваат на површината на електродата, а со тоа се зголемува иPEM електролизерСтапка на производство на водород. Водородната пропустност е позитивно погодена од густината на струјата. Зголемувањето на густината на струјата доведува до намалување на напонот на магацинот, а со тоа подобрување на перформансите на клетките. Ова може да се должи на фактот дека зголемувањето на густината на струјата ја зголемува кинетичката реакција на електродата, што резултира во намалување на отпорноста на преносот на полнење, со што се подобрува перформансите на електролитичките клетки.

Спротивно на тоа, високата густина на струјата создава голема количина на гас, предизвикувајќи агрегација на О2, што резултира во две различни состојби на проток на фази и заштита на анодната електрода од вода. Вреди да се спомене дека масовниот транспорт на генерираниот гас и вода може да биде под влијание на овие проблеми. Агрегацијата на генерираниот гас во PEMWE доведува до блокада на меурчиња кога гасот создаден во областа на катализаторот го надминува капацитетот на чистење на гас на каналот за проток. Главните причини за блокада на меурчиња се пресек на каналот и брзината на проток на вода. Резултатите покажуваат дека високиот проток на вода доведува до одложување на транзицијата од меурчиња во голтки, што резултира во помали меури и помалку удари. Во однос на енергетската ефикасност, анодата и катодата прекумерна моќност се зголемуваат со зголемена густина на струјата, што значи дека е потребен дополнителен напон за да се вози електрохемиската реакција со идеална стапка, што резултира во намалена енергетска ефикасност.

Покрај тоа, како резултат на отпорноста на електродите, електролитите и електричните конектори, зголемувањето на густината на струјата, исто така, доведува до зголемување на загубите на Охмик, што дополнително ја намалува целокупната енергетска ефикасност на системот. Високата густина на струјата може негативно да влијае на трајноста и услужниот век на ПЕМВЕ. Зголемената густина на струјата ја забрзува деградацијата на електродите. При висока густина на струјата, повисоки јонски флукси и повисоки работни температури можат да ја потенцираат мембраната, што доведува до брза деградација. При работа на PEMWE со голема густина на струјата, треба да се земе предвид рамнотежа помеѓу ефикасноста, производството и животот. Современите pemwes користат напредни системи за контрола кои ја оптимизираат густината на струјата врз основа на податоци во реално време за да се балансираат животот, производството и ефикасноста.