Водород пропустливост и кросовер на мембрани за електролиза на алкална вода

Терминот пропустливост на водород се однесува конкретно на пропустливоста на водородот преку мембраната со механизми за дифузија и конвекција. Дифузијата е управувана од концентрација или разлика во притисокот, додека конвекцијата е управувана од градиентот на притисокот на водата помеѓу анодата и катодата.

Водородната пропустливост е клучен факторАлкален електролизерпроизводство на водород

▪ Флуксот на пермеат обично се дефинира како стапка на проток на волумен преку алкална мембрана по единица површина по единица време, во cm³/cm² · s. Бидејќи волуменот на гас варира со притисок и температура, моларен флукс (во mol/cm² · s) е попрактичен во употреба.

▪ Коефициент на пропустливост на водородот или едноставно пропустливост е флукс на пермеат преку мембраната по единица движечка сила и по единица дебелина на мембраната. Движечката сила е разликата во притисокот во дебелината на мембраната (лента/см), така што единицата на пропустливост на водород е мол · cm-1 · s-1 · бар-1.

Водородниот кросовер е практичен термин што се однесува на целокупното пропустливост на водородот преку мембраната управувана од сите можни механизми за транспорт (вклучително и дифузија, конвекција и електросмотична отпорност), како што се растворени водород и растворени хидроксидни јони.

Водородниот кросовер обично се изразува како еквивалентна густина на струјата (IH2Crossover, MA/CM²), кој ги има истите единици како и стапката на производство на водород и кислород воАлкален електролизер.

Бидејќи густината на струјата на кросоверот H2 зависи главно од разликата во притисокот, содржината на H2 се зголемува когаЕлектролизерсе работи со дел од оптоварување.

Прифатливиот опсег за делумно оптоварување на индустрискиот алкаленЕлектролизери во водаобично е 10-40% од номиналното оптоварување. На сликата подолу е прикажана врската помеѓу густината на тековната густина и чистотата на гасот за време на 1 ден од работењето на алкален електролизер напојуван со соларна енергија.

При атмосферски притисок и 80 ° C, долниот граница на експлозија (LEL) и горната граница на експлозија (UEL) на мешавините H2/O2 се 3,8 mol% и 95,4 mol% H2, соодветно. Гасовитите нечистотии (водород и кислород кросовер) главно се припишуваат на патеките за пропустливост, кои можат да се поделат на две патеки: дифузија и конвективни механизми за пренесување на масата.

Пермеацијата на гас како функција на тековната густина во 1-дневна операција за соларна електролиза (24 јуни 1993 година) Десет KWАлкален електролизер: 20 клетки (клетки) со мембрани базирани на полисулфон како алкална мембрана.

Конвективното пренесување на масата се јавува како резултат на циркулацијата на заситениот електролит низ електролицерот и БОП. По раздвојувањето на течните и гасните фази, потрошениот католит останува заситен со H2, додека потрошениот анолит е заситен со О2.

За да се компензираат разликите во концентрацијата на алкални електролити предизвикани од реакциите на електродата, електролитите заситени со гас се мешаат и потоа униформно се пумпаат назад во катодата и анодата. Овие континуирани циклуси доведуваат до целокупна заситеност на електролитот со H2 и O2, правејќи мешање на гас со неизбежно пренесување на конвективно масовно. Специфичната шема на алкална циркулација на електролити може делумно да го контролира мешањето на гасот со пренесување на конвективна маса.

Механизмот за пренесување на масата на дифузија е транспорт на алкален електролит заситен со гас преку порозна мембрана управувана од разликата во притисокот помеѓу катодата и анодата.

Густината на флуксот на флукс на моларен водород (мол · S-1 · cm-2) предизвикана од апсолутната разлика во притисокот (лентата) низ дебелината на мембраната D (CM) може да се изрази со следната равенка:

Стапката на пропуст на гас H2(Mol · S-1 · CM-2 · BAR-1) управувано од разликата во притисокот е дефинирана на следниов начин:

K ја претставува пропустливоста на електролитот (CM²), што главно се определува со просечната големина на порите на мембраната. η е електролитска вискозност (бар · s), SH2 е растворливост на гас H2 во електролитот (мол · m-3 · бар-1) и е делумен притисок на H2 од страната на катодата (лента).

Овие равенки покажуваат дека трансферот на дифузија на масата е главно под влијание на својствата на мембраната, електролитната пропустливост (К) и дебелината на сепараторот г. Просечната големина на порите на серијата Zirfon UTP 500 е 150Nm, што се очекува да овозможи електролит заситен со гас да навлезе во мембраната, што резултира во помалку од идеална пропустливост на гас. Развој на дијафрагми со помали големини на пори може да го намали трансферот на масата на дифузија.

Како што се зголемува оперативниот притисок, транспортот на електролити заситени со гас преку дијафрагмата исто така се зголемува затоа што и апсолутната разлика во притисокот и растворливоста на гасот H2 во електролитот се зголемуваат. Затоа, делумниот опсег на оптоварување на алкални системи под притисок (40%-100%) е потесен од оној на системите со низок притисок (20%-100%).

Резиме:

Водороден кросовер: првенствено влијае на ефикасноста на производството на водород и енергетската ефикасност на електролизерот. Тешкиот водороден кросовер го намалува производството на водород и ја зголемува потрошувачката на енергија.

Водород пропустливост: Директно влијае на производството на водород и безбедноста на електролизерот. Високата пропустливост доведува до водороден отпад, помала ефикасност на производство на водород и потенцијално оштетување на мембраната со текот на времето.