Effet de la qualité de l'eau sur les performances de l'électrolyseur PEM

Parmi les sources d'énergie renouvelables, la production d'hydrogène par électrolyse est très prometteuse en raison de son potentiel en tant que milieu de stockage d'énergie.Membrane d'échange de protons (PEM)est l'une des technologies traditionnelles de la production d'hydrogène par électrolyse en raison de ses avantages tels que une efficacité élevée, une densité de courant importante, une plage de température à basse température et une vitesse de réponse rapide. La plupart des recherches sur la production d'hydrogène parÉlectrolyse PEMse concentre sur la démonstration de la production d'hydrogène par l'électrolyse PEM, le développement de nouveaux catalyseurs et le développement de nouveauxmembrane d'échange de protonsélectrolytes. Cependant, l'optimisation du système et de l'eau d'alimentation reste un défi. Par conséquent, cette étude examine l'effet de la qualité de l'eau sur la consommation d'énergie deElectrolyseurs PEM, se concentrant sur les solides dissous totaux (TDS), le pH de l'eau et la conductivité (bien sûr, ces trois facteurs s'affichent souvent).

L'efficacité et la consommation d'énergie deElectrolyseurs PEMdépendent de la qualité de l'eau influent. Cette étude a validé trois paramètres qui affectent les propriétés de l'eau: le pH (3, 7, 9), les solides dissous totaux (TDS) (300 ppm, 600 ppm, 900 ppm) et la conductivité (conductivité: 30 ms / cm, 70 ms / cm, 100 ms / cm) pour comprendre et optimiser le processus de production d'hydrogène à l'aideElectrolyseurs PEM. Les résultats ont montré que la quantité d'hydrogène produite était significativement affectée par le pH, les solides dissous totaux et la conductivité, et le niveau optimal de chaque variable a été déterminé par des tests approfondis.

Le principe de travail des électrolyseurs PEM est de séparer électrochimiquement l'eau en oxygène et hydrogène à leurs électrodes respectives. Étant donné que l'eau est le moyen de produire de l'hydrogène, sa qualité peut affecter les résultats du processus d'électrolyse. Les qualités de l'eau qui peuvent affecter l'efficacité des électrolyseurs PEM comprennent le pH, les solides (TD) dissous totaux et la conductivité. Par exemple, la valeur de pH de l'électrolyte affecte la production d'hydrogène et la consommation d'énergie de l'électrolyzer PEM; Une valeur de pH plus faible peut réduire le potentiel de réaction globale de réduction de l'oxygène (réaction d'évolution de l'oxygène: OER), réduisant ainsi la consommation d'énergie, mais il y a un problème de dégradation de la membrane; Un autre facteur important est la conductivité, la faible conductivité réduira également le potentiel global, réduisant ainsi l'énergie requise, et une conductivité élevée endommagera également la membrane; La surtension active entre les réactions de réduction de l'hydrogène et de l'oxygène a également une distribution asymétrique et dépendante du pH. Par conséquent, il est nécessaire d'optimiser la valeur du pH, la valeur TDS et la conductivité pour assurer l'amélioration des performances de l'électrolyzer PEM. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) recommande que les électrolyseurs commerciaux PEM utilisent de l'eau déionisée de type I, c'est-à-dire de l'eau avec une teneur totale en carbone organique de moins de 50 ppb, une résistivité de plus de 1 MΩ.CM et une teneur en sodium et en chlorure de moins de 5 µg / l. Cependant, presque toutes les ressources en eau sont impures, ce qui signifie que la purification de l'eau pour les électrolyseurs PEM nécessite des coûts supplémentaires. Une étude sur l'effet du TDS sur l'efficacité des cellules photovoltaïques a montré que plus le niveau de TDS d'eau (0-2000 ppm) est élevé, plus le rendement est élevé, tandis que lorsque le niveau de TDS a chuté à zéro, il n'y avait pas de rendement. De même, les résultats d'une étude utilisant l'eau de la rivière artificielle (eau douce) comme l'électrolyte d'un électrolyzer PEM ont montré que les performances de l'électrolyzer diminuaient en raison de l'augmentation des concentrations de calcium et d'ions magnésium. Les performances cellulaires et la durée de vie mécanique de l'électrolyzer PEM ont été réduites.

1. L'effet de la valeur du pH sur la production de gaz et la consommation d'énergie d'électrolyzer

1.1. L'effet de la valeur du pH sur la production de gaz

À mesure que la valeur du pH de l'électrolyte change, la quantité d'hydrogène et d'oxygène produite change également. La relation de fonction entre la quantité d'hydrogène et d'oxygène produite et le temps et la valeur du pH, la valeur de pH passe de 3 à 11 à intervalles réguliers. Fait intéressant, les résultats initiaux montrent que la quantité d'hydrogène et d'oxygène produite diminue à mesure que la valeur de pH passe de 3 à 7, ce qui indique que le processus d'électrolyse peut être lent au pH neutre. Étonnamment, les résultats ont montré que la production d'hydrogène et d'oxygène a augmenté de manière significative à un pH de 11, ce qui indique que l'alcalinité de l'échantillon d'eau peut contribuer à la production d'hydrogène et d'oxygène.

1.2 Effet du pH sur la consommation d'énergie

Le pH de l'électrolyte affecte la consommation d'énergie du système. Le pH affecte la conductivité de l'électrolyte, qui à son tour affecte l'efficacité du processus d'électrolyse. En règle générale, la plage de pH optimale pour les électrolyseurs PEM est comprise entre 7 et 9. Plus le pH est élevé, plus l'électrolyte est conducteur, ce qui peut améliorer l'efficacité du processus d'électrolyse. Cependant, si le pH est trop élevé, la membrane de l'électrolyzer peut être endommagée, entraînant une diminution des performances et une augmentation de la consommation d'énergie. D'un autre côté, si le pH est trop faible, la conductivité de l'électrolyte peut diminuer, entraînant une diminution de l'efficacité et une augmentation de la consommation d'énergie. De plus, un pH trop faible peut faire sécher la membrane, ce qui peut également réduire les performances et augmenter la consommation d'énergie. La consommation d'énergie de l'électrolyseur PEM augmente à des valeurs de pH plus faibles. À un pH de 8, la consommation d'énergie est la plus faible, à 45 kWh / m3 H2. À mesure que la valeur du pH augmente ou diminue, la consommation d'énergie commence à augmenter.

2. Effet du total des solides dissous (TDS) sur la production de gaz et la consommation d'énergie

2.1. Effet du TDS sur la production de gaz

Lors de l'évaluation de trois concentrations différentes de TDS, 300 ppm est une faible concentration, 600 ppm est une concentration moyenne et 900 ppm est une concentration élevée. Les résultats sont cohérents avec d'autres études. Les résultats montrent que lorsque la concentration de TDS augmente, la production d'hydrogène et d'oxygène augmente, ce qui peut être un catalyseur pour la formation d'hydrogène. On peut conclure que la production d'hydrogène à partir de l'eau est plus favorable à des niveaux de TDS plus élevés, tandis que la production est limitée à de faibles concentrations, indiquant qu'aucun hydrogène ne peut être produit à des niveaux de TDS zéro:

2.2 Effet du TDS sur la consommation d'énergie

Les solides dissous totaux (TDS) ont un impact significatif sur la consommation d'énergie des électrolyseurs de membrane d'échange de protons (PEM). TDS fait référence à la concentration de toutes les substances inorganiques et organiques dissoutes dans l'eau. Lorsque ces substances sont présentes dans l'eau utilisée dans l'électrolyzer, elles affectent les performances et l'efficacité de l'électrolyzer. Les TD dans l'eau augmentent la conductivité de l'eau, ce qui entraîne une augmentation de la tension des cellules électrolytiques nécessaires à l'électrolyse. L'augmentation de la tension cellulaire entraîne une augmentation de la consommation d'énergie de l'électrolyzer. De plus, le TDS peut provoquer une mise à l'échelle des électrodes et des membranes, ce qui réduit l'efficacité de l'électrolyzer et augmente encore la consommation d'énergie. Afin d'atténuer l'impact du TDS sur la consommation d'énergie, il est nécessaire de s'assurer que l'eau utilisée dans l'électrolyzer PEM est d'une grande pureté et d'une faible concentration de TDS. Les technologies de traitement de l'eau telles que l'osmose inverse et la déionisation peuvent être utilisées pour éliminer le TDS de l'eau, améliorant ainsi l'efficacité des électrolyseurs PEM et réduisant leur consommation d'énergie.

3. Effet de la conductivité sur la production de gaz

Un autre facteur clé affectant la consommation d'énergie des électrolyseurs PEM est la conductivité. La réduction de la surploitation excessive requise pour les anodes peut réduire la demande d'énergie, ce qui se reflète dans le fait que des valeurs de conductivité plus élevées signifient également des concentrations d'ions plus élevées dans la solution d'électrolyte. Cependant, une conductivité élevée augmente également le risque de détérioration de la membrane et augmente l'énergie requise pour le pompage. La production d'hydrogène dépend en grande partie de la conductivité et plusieurs études ont montré qu'en utilisant différentes solutions pour augmenter la conductivité, différentes conductivités peuvent être obtenues, augmentant ainsi la production d'hydrogène.

4. Effet des différentes qualités de l'eau sur la consommation d'énergie de l'électrolyseur PEM

L'eau de mer, l'eau de puits et l'eau désionisée sont trois types d'eau différents qui peuvent affecter les besoins énergétiques d'un électrolyzer à membrane d'échange de protons (PEM). L'eau de mer contient une grande quantité de sels dissous, de minéraux et d'autres contaminants. Parce que ces contaminants augmentent la conductivité de l'eau, la résistance de l'électrolyzer augmente. Parce que plus d'énergie est nécessaire pour surmonter la résistance, le processus d'électrolyse ralentit. Afin de fournir le courant requis, une tension plus élevée est requise, ce qui entraîne également une augmentation globale de la consommation d'énergie. L'eau du puits est généralement beaucoup plus faible dans les sels et les contaminants dissous que l'eau de mer. Les minéraux et autres substances qui peuvent interférer avec l'électrolyse peuvent encore exister. Exactement comment la composition de l'eau du puits affecte la consommation d'énergie est encore incertaine dans une certaine mesure. L'énergie nécessaire pour traiter l'eau de puits est généralement inférieure à l'énergie nécessaire pour traiter l'eau de mer ou l'eau désionisée. L'eau désionisée est une eau qui a fait éliminer les ions minéraux par le processus de déionisation. Il est également appelé eau désionisée et eau distillée. L'eau désionisée a une conductivité beaucoup plus faible que l'eau de mer et de l'eau du puits. Par conséquent, il a une résistance plus faible pendant le processus d'électrolyse et nécessite moins d'énergie pour produire le même courant. L'utilisation de l'eau déionisée dans les électrolyseurs PEM peut améliorer l'efficacité énergétique. L'eau désionisée a une mauvaise conductivité, ce qui peut aider à économiser de l'énergie, mais il ne contient aucun ions requis pour les réactions électrochimiques dans l'électrolyzer. Les exigences de qualité de l'eau doivent être soigneusement prises en compte sur la conception et le fonctionnement spécifiques du système d'électrolyzer PEM, car ces ions sont importants pour maintenir les performances et la durée de vie des composants électrolyzaires.

En bref, dans l'électrolyse de l'eau PEM, nous accordons généralement plus d'attention à l'électrolyzer lui-même et ignorons l'importance du BOP. Beaucoup de gens pensent également que le BOP de PEM est plus simple que celui de l'alcalin. En fait, bien que le PEM ne nécessite pas un grand système de séparation de gaz-liquide comme alcalin, il est également très important de gérer la qualité de l'eau pure. La gestion de la qualité de l'eau pure garantit non seulement un fonctionnement efficace, mais aide également à augmenter la durée de vie.