Мембранный электролиз полимерного электролита

Мембранный электролиз полимерного электролита
Схема реакций электролиза PEM.
Типичные материалы
Тип электролиза:	Электролиз PEM
Тип мембраны / диафрагмы	Твердый полимер
Материал биполярной / разделительной пластины	Титан или золото и. титан с платиновым покрытием
Материал катализатора на аноде	Иридий
Материал катализатора на катоде	Платина
Материал PTL анода	Титан
Материал PTL катода	Копировальная бумага / углеродный флис
Современные рабочие диапазоны
Температура ячейки	50-80C
Давление в штабеле	<30 bar
Плотность тока	0,6–2,0 А / см
Напряжение элемента	1,75–2,20 В
Плотность мощности	до 4,4 мВт / см
Диапазон частичной нагрузки	0-10%
Стек удельного потребления энергии	4,2-5,6 кВтч / Нм
Система удельного потребления энергии	4,5-7,5 кВтч / Нм
Эффективность напряжения ячейки	57-6 9%
Скорость производства водорода в системе	30 Нм / ч
Срок службы батареи	<20,000 h
Приемлемая скорость разложения	<14 µV/h
Срок службы системы	10-20 a

Полимерный электролит мембранный (PEM) электролиз - это электролиз воды в ячейке, оснащенной твердым полимерным электролитом (SPE), который отвечает за проводимость протонов, отделение продуктовых газов и электроизоляция электродов. Электролизер PEM был введен для решения проблем частичной нагрузки, низкой плотности тока и работы при низком давлении, которые в настоящее время мешают щелочному электролизеру. Он включает протонообменную мембрану.

. Однако недавнее научное сравнение показало, что современный электролиз воды с щелочью демонстрирует конкурентоспособную или даже лучшую эффективность, чем электролиз воды с PEM. Более того, это сравнение показало, что многие из преимуществ, таких как чистота газа или высокие плотности тока, которые были приписаны электролизу воды из PEM, также достигаются с помощью щелочного водного электролиза. Электролиз - важная технология производства водорода, используемого в качестве энергоносителя.

Обладая быстрым динамическим временем отклика, большим рабочим диапазоном и высокой эффективностью, электролиз воды является многообещающей технологией для хранения энергии в сочетании с возобновляемыми источниками энергии.

• 1 История
• 2 Преимущества электролиза PEM
• 3 Наука
  • 3.1 Реакции
    • 3.1.1 Анодная реакция
    • 3.1.2 Катодная реакция
  • 3.2 Второй закон термодинамика
  • 3.3 Напряжение холостого хода (OCV)
  • 3.4 Потери напряжения
    • 3.4.1 Омические потери
  • 3.5 Фарадеевские потери и переход
  • 3.6 Сжатие водорода при электролизе воды
• 4 Работа системы электролиза PEM
  • 4.1 Эффективность PEM
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

Использование PEM для электролиза впервые было введено в 1960-х годах компанией General Electric и разработано для устранения недостатков технология щелочного электролиза. Первоначальные характеристики давали 1,88 В при 1,0 А / см, что было очень эффективно по сравнению с технологией щелочного электролиза того времени. В конце 1970-х годов щелочные электролизеры сообщали о производительности около 2,06 В при 0,215 А / см, что вызвало внезапный интерес в конце 1970-х и начале 1980-х годов к полимерным электролитам для электролиза воды.

Тщательный обзор исторической эффективности от ранних исследований до сегодняшнего дня можно найти в хронологическом порядке со многими рабочими условиями в обзоре Кармо и др. За 2013 год.

Одним из самых больших преимуществ электролиза PEM является его способность работать при высоких плотностях тока. Это может привести к снижению эксплуатационных расходов, особенно для систем, связанных с очень динамичными источниками энергии, такими как ветер и солнце, где внезапные всплески подводимой энергии в противном случае привели бы к неуловленной энергии. Полимерный электролит позволяет электролизеру PEM работать с очень тонкой мембраной (~ 100-200 мкм), сохраняя при этом высокое давление, что приводит к низким омическим потерям, в первую очередь вызванным проводимостью протонов через мембрану (0,1 См / см) и выход сжатого водорода.

Мембрана с полимерным электролитом, благодаря своей твердой структуре, демонстрирует низкую скорость перехода газа, что приводит к очень высокой чистоте газообразного продукта. Поддержание высокой чистоты газа важно для безопасности хранения и для непосредственного использования в топливных элементах. Пределы безопасности для H 2 в O 2 соответствуют стандартным условиям 4 моль-% H2в O 2.

Электролизер - это электрохимическое устройство для преобразования электричества и воды в водород и кислород, эти газы затем можно использовать в качестве средства хранения энергии для дальнейшего использования. Это использование может варьироваться от стабилизации электрической сети от динамических источников электроэнергии, таких как ветряные турбины и солнечные элементы, до локализованного производства водорода в качестве топлива для транспортных средств на топливных элементах. В электролизере PEM используется твердый полимерный электролит (SPE) для проведения протонов от анода к катоду при электрической изоляции электродов. При стандартных условиях энтальпия, необходимая для образования воды, составляет 285,9 кДж / моль. Часть энергии, необходимой для продолжительной реакции электролиза, обеспечивается тепловой энергией, а остальная часть - электрической энергией.

Реакции

Фактическое значение напряжения холостого хода работающего электролизера будет находятся между 1,23 В и 1,48 В в зависимости от того, как конструкция элемента / блока использует тепловую энергию. Однако это довольно сложно определить или измерить, потому что работающий электролизер также испытывает другие потери напряжения из-за внутренних электрических сопротивлений, протонной проводимости, переноса массы через ячейку и использования катализатора, и это лишь некоторые из них.

Анодная реакция

Половинная реакция, протекающая на анодной стороне электролизера PEM, обычно называется реакцией выделения кислорода (OER). Здесь жидкий водный реагент подается на катализатор, где подаваемая вода окисляется до кислорода, протонов и электронов.

$2\; H\; 2\; O\; (l)\; ⟶\; O\; 2\; (g)\; +\; 4\; H\; +\; (aq)\; +\; 4\; e\; -\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; ce\; \{2\; H2O\; (l)\; ->O2\; (g)\; +\; 4H\; +\; (aq)\; +\; 4\; e\; ^\; -\}\}\}$

Катодная реакция

Половина реакции, протекающей на катодной стороне электролизера PEM, обычно как реакция выделения водорода (HER). Здесь поставленные электроны и протоны, которые прошли через мембрану, объединяются с образованием газообразного водорода.

$4\; H\; +\; (водн.)\; +\; 4\; e\; -\; ⟶\; 2\; H\; 2\; (г)\; \{\; \backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; ce\; \{4H\; +\; (aq)\; +\; 4\; e\; ^\; -\; ->2H2\; (g)\}\}\}$

На иллюстрации ниже показано упрощение того, как работают реакции электролиза PEM, вместе с отображением отдельных половин вместе с дополнением реакция электролизера ПЭМ. В этом случае электролизер соединен с солнечной панелью для производства водорода, однако солнечная панель может быть заменена любым источником электричества.

Схема ячейки электролизера с ПЭМ и основные принципы работы.

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону термодинамики энтальпия реакция следующая:

$\Delta \; H\; =\; \Delta \; G\; ⏟\; elec.\; +\; T\; \Delta \; S\; ⏟\; тепло\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; H\; =\; \backslash \; underbrace\; \{\backslash \; Delta\; G\}\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{elec.\}\}\; +\; \backslash \; Underbrace\; \{T\; \backslash \; Delta\; S\}\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{heat\}\}\}$

Где $\Delta \; G\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; G\}$- это свободная энергия Гиббса реакции, $T\; \{\backslash \; displaystyle\; T\}$- это температура реакции и $\Delta \; S\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; S\}$- это изменение энтропии системы.

$H\; 2\; O\; (l)\; +\; \Delta \; H\; ⟶\; H\; 2\; +\; 1\; 2\; O\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; ce\; \{H2O\; (l)\; +\; \backslash \; Delta\; H\; ->H2\; +\; 1/2\; O2\}\}\}$

Общая реакция клетки с вводом термодинамической энергии становится следующей:

$H\; 2\; O\; (л)\; \to \; +\; 48,6\; кДж\; /\; моль\; ⏟\; тепло\; +\; 237,2\; кДж\; /\; моль\; ⏞\; электричество\; H\; 2\; +\; 1\; 2\; O\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; ce\; \{H2O\; (l)\; ->[+\; \backslash \; overbrace\; \{237.2\; \backslash \; \{\backslash \; ce\; \{кДж\; /\; моль\}\}\}\; ^\; \{\backslash \; ce\; \{электричество\}\}]\; [+\; \backslash \; underbrace\; \{48.6\; \backslash \; \{\backslash \; ce\; \{кДж\; /\; моль\}\}\; \}\}\}\; \_\; \{\backslash \; ce\; \{heat\}\}]\; \{H2\}\; +\; 1\; /\; 2O2\}\}\}$

Указанные выше тепловые и электрические входы представляют минимальное количество энергии, которое может быть поставляется электричеством, чтобы получить реакция электролиза. Предполагая, что в реакцию поступает максимальное количество тепловой энергии (48,6 кДж / моль), обратимое напряжение ячейки $В\; об.\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{rev\}\}\; ^\; \{0\}\}$можно посчитать.

Напряжение холостого хода (OCV)

$В\; об.\; 0\; =\; \Delta \; G\; 0\; n\; \cdot \; F\; =\; 237\; кДж\; /\; моль\; 2\; \times \; 96,\; 485\; Кл\; /\; моль\; =\; 1,23\; В\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{rev\; \}\}\; ^\; \{0\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; G\; ^\; \{0\}\}\; \{n\; \backslash \; cdot\; F\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{237\; \backslash \; \{\backslash \; textrm\; \{кДж\; /\; моль\}\}\}\; \{2\; \backslash \; times\; 96\; 485\; \backslash \; \{\; \backslash \; textrm\; \{C\; /\; mol\}\}\}\}\; =\; 1,23V\}$

, где $n\; \{\backslash \; displaystyle\; n\}$- количество электронов, а $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$- постоянная Фарадея. Расчет напряжения ячейки, предполагающий, что не существует необратимости и вся тепловая энергия используется в реакции, называется нижней теплотворной способностью (LHV). Альтернативный состав с использованием более высокой теплотворной способности (HHV) рассчитывается исходя из предположения, что вся энергия для запуска реакции электролиза обеспечивается электрическим компонентом требуемой энергии, что приводит к более высокому обратимому напряжению элемента. При использовании HHV расчет напряжения упоминается как термонейтральное напряжение.

$V\; th\; 0\; =\; \Delta \; H\; 0\; n\; \cdot \; F\; =\; 285,9\; кДж\; /\; моль\; 2\; \times \; 96,\; 485\; Кл\; /\; моль\; =\; 1,48\; В\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{\backslash \; textrm\; \{th\}\}\; ^\; \{0\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; H\; ^\; \{0\}\}\; \{n\; \backslash \; cdot\; F\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{285.9\; \backslash \; \{\backslash \; textrm\; \{кДж\; /\; моль\}\}\}\; \{2\; \backslash \; times\; 96\; 485\; \backslash \; \{\backslash \; textrm\; \{C\; /\; моль\}\}\}\}\; =\; 1,48\; В\}$

Потери напряжения

Характеристики электролизных ячеек, таких как топливных элементов, обычно сравниваются построение их поляризационных кривых, полученных путем построения графика зависимости напряжения ячейки от плотности тока. Основные источники повышенного напряжения в электролизере PEM (то же самое относится и к топливным элементам PEM ) можно разделить на три основные области: омические потери, потери при активации И массовые транспортные потери. Из-за реверсирования работы топливного элемента с PEM и электролизера с PEM степень воздействия этих различных потерь между двумя процессами различается.

$V\; cell\; =\; E\; +\; V\; act\; +\; V\; trans\; +\; V\; ohm\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{cell\}\}\; =\; E\; +\; V\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{act\}\}\; +\; V\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{trans\}\}\; +\; V\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{ohm\}\}\}$

Производительность системы электролиза PEM обычно сравнивается путем построения графика зависимости перенапряжения от плотности тока ячейки. По существу, это приводит к кривой, которая представляет мощность на квадратный сантиметр площади ячейки, необходимую для производства водорода и кислорода. В противоположность топливному элементу PEM, чем лучше электролизер PEM, тем ниже напряжение элемента при заданной плотности тока. Рисунок ниже является результатом моделирования из Forschungszentrum Jülich 25-сантиметрового электролизера PEM с одной ячейкой в ​​термонейтральном режиме, на котором изображены основные источники потерь напряжения и их вклад в диапазоне плотностей тока.

Поляризационная кривая, изображающая различные потери, связанные с работой электролизной ячейки PEM.

Омические потери

Омические потери - это электрическое перенапряжение, вносимое в процесс электролиза внутренним сопротивлением компонентов ячейки. Затем эта потеря требует дополнительного напряжения для поддержания реакции электролиза, прогноз этой потери следует закону Ома и имеет линейную зависимость от плотности тока рабочий электролизер.

$V\; =\; I\; \cdot \; R\; \{\backslash \; displaystyle\; V\; =\; I\; \backslash \; cdot\; R\}$

Потери энергии из-за электрического сопротивления теряются не полностью. Падение напряжения из-за удельного сопротивления связано с преобразованием электрической энергии в тепловую посредством процесса, известного как Джоулев нагрев. Большая часть этой тепловой энергии уносится с подачей реагирующей воды и теряется в окружающую среду, однако небольшая часть этой энергии затем возвращается в виде тепловой энергии в процессе электролиза. Количество тепловой энергии, которая может быть возвращена, зависит от многих аспектов работы системы и конструкции ячейки.

$Q\; \propto \; I\; 2\; \cdot \; R\; \{\backslash \; displaystyle\; Q\; \backslash \; propto\; I\; ^\; \{2\}\; \backslash \; cdot\; R\}$

Омические потери из-за проводимости протонов вносят свой вклад в потерю эффективности, которая также следует закону Ома, но без эффекта джоулева нагрева. Протонная проводимость PEM очень зависит от гидратации, температуры, термической обработки и ионного состояния мембраны.

Фарадеевские потери и кроссовер

Фарадеевские потери описывают потери эффективности, которые коррелируют с током, подаваемым без попадания водорода на выходе катодного газа. Образующиеся водород и кислород могут проникать через мембрану, что называется кроссовером. В результате на электродах происходит смешение обоих газов. На катоде кислород может каталитически реагировать с водородом на платиновой поверхности катодного катализатора. На аноде водород и кислород не реагируют на катализаторе из оксида иридия. Таким образом, может возникнуть угроза безопасности из-за взрывоопасных анодных смесей водорода с кислородом. Энергия, подаваемая на производство водорода, теряется, когда водород теряется из-за реакции с кислородом на катоде и проникновения от катода через мембрану к аноду. Следовательно, соотношение количества потерянного и произведенного водорода определяет фарадеевские потери. При работе электролизера под давлением кроссовер и связанные с ним потери фарадеевской эффективности увеличиваются.

Сжатие водорода во время электролиза воды

Выделение водорода из-за электролиза под давлением сравнимо с процессом изотермического сжатия, который происходит в с точки зрения эффективности предпочтительнее механического изотропического сжатия. Однако вклад вышеупомянутых фарадеевских потерь увеличивается с увеличением рабочего давления. Таким образом, чтобы произвести сжатый водород, сжатие на месте во время электролиза и последующее сжатие газа необходимо учитывать с точки зрения эффективности.

Система электролизера высокого давления PEM

Способность электролизера PEM работать не только в высокодинамичных условиях, но также в условиях частичной нагрузки и перегрузки является одним из важнейших факторов. причины недавнего возобновления интереса к этой технологии. Потребности в электросети относительно стабильны и предсказуемы, однако, когда они связаны с источниками энергии, такими как ветер и солнечная энергия, потребности в сети редко соответствуют выработке возобновляемой энергии. Это означает, что энергия, произведенная из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце, должна иметь буфер или средства хранения внепиковой энергии.

КПД PEM

При определении электрического КПД электролиза PEM можно использовать более высокую теплотворную способность (HHV). Это потому, что слой катализатора взаимодействует с водой как пар. Поскольку для электролизеров PEM процесс протекает при 80 ° C, отходящее тепло может быть перенаправлено через систему для создания пара, что приведет к повышению общего электрического КПД. Для щелочных электролизеров необходимо использовать более низкую теплотворную способность (LHV), поскольку процесс в этих электролизерах требует воды в жидкой форме и использует щелочность для облегчения разрыва связи, удерживающей атомы водорода и кислорода вместе. Для топливных элементов также необходимо использовать более низкую теплотворную способность, поскольку пар является выходом, а не входом.

Электролиз PEM имеет электрический КПД около 80% при рабочем применении в пересчете на водород, произведенный на единицу электроэнергии, используемой для запуска реакции. Ожидается, что к 2030 году эффективность электролиза PEM достигнет 82-86%, при этом сохранится долговечность, поскольку прогресс в этой области продолжается высокими темпами.

• Портал энергетики
• Портал возобновляемой энергии

• Электрохимия
• Электрохимия
• Электролиз
• Производство водорода
• Установка газового крекинга
• Фотокаталитическое расщепление воды
• Очистка воды
• Хронология водородных технологий
• Электролиз воды
• PEM топливный элемент
• Водородная экономия
• Электролиз высокого давления