Permeabilidad de hidrógeno y cruza de membranas de electrólisis de agua alcalina

El término permeabilidad de hidrógeno se refiere específicamente a la permeación de hidrógeno a través de la membrana mediante mecanismos de difusión y convección. La difusión es impulsada por la diferencia de concentración o presión, mientras que la convección es impulsada por el gradiente de presión del agua entre el ánodo y el cátodo.

La permeabilidad de hidrógeno es un factor clave que afectaelectrolizado alcalinoproducción de hidrógeno

▪ El flujo de un permeado generalmente se define como el caudal de volumen a través de la membrana alcalina por unidad de área por unidad de tiempo, en cm³/cm² · s. Dado que el volumen de gas varía con la presión y la temperatura, el flujo molar (en mol/cm² · s) es más práctico en uso.

▪ El coeficiente de permeabilidad de hidrógeno o simplemente permeabilidad es el flujo de un permeado a través de la membrana por unidad de fuerza impulsora y por unidad de espesor de la membrana. La fuerza impulsora es la diferencia de presión en el grosor de la membrana (barra/cm), por lo que la unidad de permeabilidad de hidrógeno es mol · cm-1 · S-1 · bar-1.

El crossover de hidrógeno es un término práctico que se refiere a la permeación general de hidrógeno a través de la membrana impulsada por todos los mecanismos de transporte posibles (incluida la difusión, la convección y la resistencia electroosmótica), como el hidrógeno disuelto y los iones de hidróxido disuelto.

El crossover de hidrógeno generalmente se expresa como una densidad de corriente equivalente (IH2Crossover, mA/cm²), que tiene las mismas unidades que la tasa de producción de hidrógeno y oxígeno en elelectrolizado alcalino.

Dado que la densidad de corriente de cruce de H2 depende principalmente de la diferencia de presión, el contenido de H2 aumenta cuando elElectrolizadose opera en la carga parcial.

El rango aceptable para la operación de carga parcial de alcalino industrialelectrolizeros de aguasuele ser 10-40% de la carga nominal. La siguiente figura muestra la relación entre la densidad de corriente y la pureza del gas durante 1 día de operación de un electrolizador alcalino alimentado por energía solar.

A presión atmosférica y 80 ° C, el límite de explosión inferior (LEL) y el límite de explosión superior (UEL) de las mezclas H2/O2 son 3.8% en moles y 95.4% en moles H2, respectivamente. Las impurezas gaseosas (crossover de hidrógeno y oxígeno) se atribuyen principalmente a las vías de permeación, que se pueden dividir en dos vías: mecanismos de difusión y transferencia de masa convectiva.

Permema de gas en función de la densidad de corriente en una operación de electrólisis solar de 1 día (24 de junio de 1993) Ten-KWelectrolizado alcalino: 20 células (células) con membranas basadas en polisulfona como membrana alcalina.

La transferencia de masa convectiva se produce debido a la circulación de electrolito saturado en todo el electrolizado y el BOP. Después de la separación de las fases líquidas y de gas, el catolito gastado permanece saturado de H2, mientras que el anolito gastado está saturado con O2.

Para compensar las diferencias en la concentración de electrolitos alcalinos causados ​​por las reacciones del electrodo, los electrolitos saturados de gas se mezclan y luego se bombean uniformemente al cátodo y al ánodo. Estos ciclos continuos conducen a la saturación general del electrolito con H2 y O2, lo que hace que la mezcla de gas por transferencia de masa convectiva sea inevitable. El patrón específico de circulación electrolítica alcalina puede controlar parcialmente la mezcla de gas por transferencia de masa convectiva.

El mecanismo de transferencia de masa de difusión es el transporte de electrolito alcalino saturado de gas a través de la membrana porosa impulsada por la diferencia de presión entre el cátodo y el ánodo.

La densidad de flujo de permeación de hidrógeno molar (mol · S-1 · cm-2) causada por la diferencia de presión absoluta (barra) a través del espesor de la membrana D (cm) puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

La tasa de permeación de gas H2(mol · s-1 · cm-2 · bar-1) impulsado por la diferencia de presión se define de la siguiente manera:

K representa la permeabilidad del electrolito (CM²), que está determinada principalmente por el tamaño de poro promedio de la membrana. η es la viscosidad electrolítica (barra · s), sh2 es la solubilidad del gas H2 en el electrolito (mol · m-3 · bar-1) y es la presión parcial H2 en el lado del cátodo (barra).

Estas ecuaciones muestran que la transferencia de masa de difusión se ve afectada principalmente por las propiedades de la membrana, la permeabilidad de los electrolitos (K) y el grosor del separador d. El tamaño promedio de poro de la serie Zirfon UTP 500 es de 150 nm, lo que se espera que permita que el electrolito saturado de gas penetre en la membrana, lo que resulta en una permeabilidad de gas menos que ideal. El desarrollo de diafragmas con tamaños de poros más pequeños puede reducir la transferencia de masa de difusión.

A medida que aumenta la presión de funcionamiento, el transporte de electrolitos saturados de gas a través del diafragma también aumenta porque tanto la diferencia de presión absoluta como la solubilidad del gas H2 en el electrolito aumentan. Por lo tanto, el rango de carga parcial de los sistemas alcalinos presurizados (40%-100%) es más estrecho que el de los sistemas de baja presión (20%-100%).

Resumen:

Crossover de hidrógeno: afecta principalmente la eficiencia de producción de hidrógeno y la eficiencia energética del electrolizador. El cruce severo de hidrógeno reduce la producción de hidrógeno y aumenta el consumo de energía.

La permeabilidad de hidrógeno: afecta directamente la producción de hidrógeno y la seguridad del electrolizado. La alta permeabilidad conduce a desechos de hidrógeno, menor eficiencia de producción de hidrógeno y daños potenciales en la membrana con el tiempo.