Efecto de la calidad del agua en el rendimiento del electrolizado de PEM

Entre las fuentes de energía renovables, la producción de hidrógeno por electrólisis es muy prometedora debido a su potencial como medio de almacenamiento de energía.Membrana de intercambio de protones (PEM)es una de las tecnologías convencionales para la producción de hidrógeno por electrólisis debido a sus ventajas, como alta eficiencia, densidad de corriente grande, rango de baja temperatura y velocidad de respuesta rápida. La mayor parte de la investigación sobre la producción de hidrógeno porElectrólisis PEMSe centra en la demostración de la producción de hidrógeno por electrólisis PEM, el desarrollo de nuevos catalizadores y el desarrollo de nuevosMembrana de intercambio de protoneselectrolitos. Sin embargo, la optimización del sistema y el agua de alimentación sigue siendo un desafío. Por lo tanto, este estudio investiga el efecto de la calidad del agua en el consumo de energía deElectrolizeros, centrándose en sólidos disueltos totales (TDS), pH de agua y conductividad (por supuesto, estos tres factores a menudo se afectan entre sí).

La eficiencia y el consumo de energía deElectrolizerosDepende de la calidad del agua influyente. Este estudio validó tres parámetros que afectan las propiedades del agua: pH (3, 7, 9), sólidos disueltos totales (TDS) (300ppm, 600ppm, 900ppm) y conductividad (conductividad: 30 ms/cm, 70 ms/cm, 100 ms/cm) para comprender y optimizar el proceso de producción de hidrógeno que usa usando hidrógeno utilizando el uso de hidrógeno utilizando el uso de hidrógeno que usa usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrógeno utilizando usando hidrogenElectrolizeros. Los resultados mostraron que la cantidad de hidrógeno producido se vio significativamente afectada por el pH, los sólidos disueltos totales y la conductividad, y el nivel óptimo de cada variable se determinó a través de pruebas extensas.

El principio de funcionamiento de los electrolizadores PEM es separar electroquímicamente el agua en oxígeno e hidrógeno en sus respectivos electrodos. Dado que el agua es el medio para producir hidrógeno, su calidad puede afectar los resultados del proceso de electrólisis. Las cualidades del agua que pueden afectar la eficiencia de los electrolizadores de PEM incluyen pH, sólidos disueltos totales (TDS) y conductividad. Por ejemplo, el valor de pH del electrolito afecta la producción de hidrógeno y el consumo de energía del electrolizador PEM; Un valor de pH más bajo puede reducir la reacción general de reacción de reducción de oxígeno (reacción de evolución de oxígeno: REA), reduciendo así el consumo de energía, pero existe un problema de degradación de la membrana; Otro factor importante es la conductividad, la baja conductividad también reducirá el potencial general, reduciendo así la energía requerida, y la alta conductividad también dañará la membrana; El sobrepotencial activo entre las reacciones de reducción de hidrógeno y oxígeno también tiene una distribución asimétrica y dependiente del pH. Por lo tanto, es necesario optimizar el valor de pH, el valor de TDS y la conductividad para garantizar la mejora del rendimiento del electrolizado PEM. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) recomienda que los electrolizadores PEM comerciales usen agua desionizada tipo I, es decir, agua con un contenido total de carbono orgánico de menos de 50ppb, una resistividad de más de 1 MΩ.CM y un contenido de sodio y cloruro de menos de 5 µg/L. Sin embargo, casi todos los recursos hídricos son impuros, lo que significa que la purificación del agua para los electrolizeros PEM requiere costos adicionales. Un estudio sobre el efecto de TDS sobre la eficiencia de las células fotovoltaicas mostró que cuanto mayor sea el nivel de agua TDS (0-2000ppm), mejor será el rendimiento, mientras que cuando el nivel de TDS cayó a cero, no hubo rendimiento. Del mismo modo, los resultados de un estudio que utiliza agua del río artificial (agua blanda) como el electrolito de un electrolizado PEM mostraron que el rendimiento del electrolizado disminuyó debido al aumento de las concentraciones de iones de calcio y magnesio. El rendimiento celular y la vida mecánica del electrolizado PEM se redujeron.

1. El efecto del valor de pH en la producción de gas y el consumo de energía de electrolizador

1.1. El efecto del valor de pH en la producción de gas

A medida que cambia el valor de pH del electrolito, la cantidad de hidrógeno y oxígeno producido también cambia. La relación de función entre la cantidad de hidrógeno y oxígeno producido y el valor de tiempo y pH, el valor de pH cambia de 3 a 11 a intervalos regulares. Curiosamente, los resultados iniciales muestran que la cantidad de hidrógeno y oxígeno producido disminuye a medida que el valor de pH aumenta de 3 a 7, lo que indica que el proceso de electrólisis puede ser lento a pH neutro. Sorprendentemente, los resultados mostraron que la producción de hidrógeno y oxígeno aumentó significativamente a un pH de 11, lo que indica que la alcalinidad de la muestra de agua puede contribuir a la producción de hidrógeno y oxígeno.

1.2 Efecto del pH sobre el consumo de energía

El pH del electrolito afecta el consumo de energía del sistema. El pH afecta la conductividad del electrolito, que a su vez afecta la eficiencia del proceso de electrólisis. Típicamente, el rango de pH óptimo para los electrolizadores PEM es entre 7 y 9. Cuanto mayor sea el pH, más conductivo es el electrolito, lo que puede mejorar la eficiencia del proceso de electrólisis. Sin embargo, si el pH es demasiado alto, la membrana en el electrolizador puede dañarse, lo que resulta en un rendimiento disminuido y un mayor consumo de energía. Por otro lado, si el pH es demasiado bajo, la conductividad del electrolito puede disminuir, lo que resulta en una disminución de la eficiencia y un mayor consumo de energía. Además, un pH demasiado bajo puede hacer que la membrana se seque, lo que también puede reducir el rendimiento y aumentar el consumo de energía. El consumo de energía del electrolizado PEM aumenta a valores de pH más bajos. A un pH de 8, el consumo de energía es el más bajo, a 45kWh/m3 H2. A medida que el valor de pH aumenta o disminuye, el consumo de energía comienza a aumentar.

2. Efecto de los sólidos totales disueltos (TDS) sobre la producción de gas y el consumo de energía

2.1. Efecto de TDS en la producción de gas

Al evaluar tres concentraciones diferentes de TDS, 300 ppm es una concentración baja, 600 ppm es una concentración media y 900 ppm es una alta concentración. Los resultados son consistentes con otros estudios. Los resultados muestran que a medida que aumenta la concentración de TDS, aumenta la producción de hidrógeno y oxígeno, lo que puede ser un catalizador para la formación de hidrógeno. Se puede concluir que la producción de hidrógeno del agua es más favorable a niveles de TDS más altos, mientras que la producción es limitada a bajas concentraciones, lo que indica que no se puede producir hidrógeno a niveles de TDS cero:

2.2 Efecto de TDS en el consumo de energía

Los sólidos disueltos totales (TD) tienen un impacto significativo en el consumo de energía de los electrolizeros de membrana de intercambio de protones (PEM). TDS se refiere a la concentración de todas las sustancias inorgánicas y orgánicas disueltas en agua. Cuando estas sustancias están presentes en el agua utilizada en el electrolizado, afectan el rendimiento y la eficiencia del electrolizador. TDS en el agua aumenta la conductividad del agua, lo que conduce a un aumento en el voltaje de la célula electrolítica requerida para la electrólisis. El aumento en el voltaje celular conduce a un aumento en el consumo de energía del electrolizado. Además, los TD pueden causar la escala de los electrodos y las membranas, lo que reduce la eficiencia del electrolizador y aumenta aún más el consumo de energía. Para mitigar el impacto de TDS en el consumo de energía, es necesario garantizar que el agua utilizada en el electrolizador PEM sea de alta pureza y baja concentración de TDS. Las tecnologías de tratamiento de agua, como la ósmosis inversa y la deionización, se pueden usar para eliminar los TD del agua, mejorando así la eficiencia de los electrolizadores PEM y reduciendo su consumo de energía.

3. Efecto de la conductividad en la producción de gas

Otro factor clave que afecta el consumo de energía de los electrolizadores PEM es la conductividad. Reducir el sobrepotencial requerido para el ANODO REA puede reducir la demanda de energía, lo que se refleja en el hecho de que los valores de conductividad más altos también significan concentraciones de iones más altas en la solución de electrolitos. Sin embargo, la alta conductividad también aumenta la posibilidad de deterioro de la membrana y aumenta la energía requerida para el bombeo. La producción de hidrógeno depende en gran medida de la conductividad, y varios estudios han demostrado que al usar diferentes soluciones para aumentar la conductividad, se pueden lograr diferentes conductividades, lo que aumenta la producción de hidrógeno.

4. Efecto de las diferentes cualidades del agua en el consumo de energía del electrolizador PEM

El agua de mar, el agua de pozo y el agua desionizada son tres tipos diferentes de agua que pueden afectar los requisitos de energía de un electrolizado de membrana de intercambio de protones (PEM). El agua de mar contiene una gran cantidad de sales disueltas, minerales y otros contaminantes. Debido a que estos contaminantes aumentan la conductividad del agua, aumenta la resistencia del electrolizado. Debido a que se requiere más energía para superar la resistencia, el proceso de electrólisis se ralentiza. Para proporcionar la corriente requerida, se requiere un voltaje más alto, lo que también conduce a un aumento general en el uso de energía. El agua del pozo suele ser mucho más baja en sales y contaminantes disueltos que el agua de mar. Los minerales y otras sustancias que pueden interferir con la electrólisis aún pueden existir. Exactamente cómo la composición del agua del pozo afecta el uso de energía aún es incierta en cierta medida. La energía requerida para tratar el agua del pozo es generalmente menor que la energía requerida para tratar el agua de mar o el agua desionizada. El agua desionizada es el agua que ha tenido iones minerales eliminados a través del proceso de desionización. También se llama agua desionizada y agua destilada. El agua desionizada tiene una conductividad mucho menor que el agua de mar y el agua de pozo. Por lo tanto, tiene una menor resistencia durante el proceso de electrólisis y requiere menos energía para producir la misma corriente. El uso de agua desionizada en electrolizadores PEM puede mejorar la eficiencia energética. El agua desionizada tiene poca conductividad, lo que puede ayudar a ahorrar energía, pero no contiene ningún ión requerido para las reacciones electroquímicas en el electrolizador. Los requisitos de calidad del agua deben considerarse cuidadosamente en función del diseño y la operación específicos del sistema PEM Electrolyzer, porque estos iones son importantes para mantener el rendimiento y la vida útil de los componentes del electrolizador.

En resumen, en la electrólisis de agua de PEM, generalmente prestamos más atención al electrolizado en sí e ignoramos la importancia de BOP. Muchas personas también piensan que el BOP de PEM es más simple que el de Alkaline. De hecho, aunque PEM no requiere un gran sistema de separación de gas líquido como el alcalino, también es muy importante manejar la calidad del agua pura. La gestión de la calidad del agua pura no solo garantiza un funcionamiento eficiente, sino que también ayuda a aumentar la vida útil.