Desarrollo y aplicación de la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones bajo fluctuaciones de energía eólica y solar II

Desarrollo y aplicación de la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones bajo fluctuaciones de energía eólica y solar II

II. Características básicas de la producción de hidrógeno por Electrólisis de agua PEM bajo suministro de energía fluctuante eólica y solar
Bajo el suministro de energía fluctuante de la energía eólica y solar, los parámetros de trabajo del electrolizador sufren cambios transitorios, que pueden causar daños irreversibles a los componentes principales. Al explorar las características de rendimiento de la electrólisis de agua PEM para la producción de hidrógeno bajo el suministro de energía fluctuante de la energía eólica y solar, el mecanismo de atenuación y los métodos de evaluación de los componentes del electrolizador PEM son de gran valor para la investigación y el desarrollo de tecnologías clave para los componentes del electrolizador PEM.

1. Las fluctuaciones de la energía eólica y solar tienen un impacto significativo en las células electrolíticas
Normalmente, el voltaje de entrada de la celda electrolítica se controla dentro de un cierto rango; cuando la potencia de entrada de la celda electrolítica fluctúa, el voltaje de la celda electrolítica cambia ligeramente, mientras que la corriente fluctúa significativamente. Cuando se adopta el control de estabilización de voltaje en aplicaciones prácticas, una vez que cambia la potencia de entrada de la celda electrolítica, la corriente fluctuará bruscamente, lo que provocará un cambio brusco en la velocidad de reacción del electrodo, lo que hará que la celda electrolítica se desvíe de la condición de funcionamiento estable. Debido a la existencia del sobrepotencial de reacción del electrodo, la entrada de voltaje es significativamente mayor que el voltaje teórico; Aunque la reacción de electrólisis del agua es una reacción endotérmica, el calor Joule generado por la pérdida óhmica hace que la temperatura de la celda electrolítica aumente gradualmente con el tiempo incluso en condiciones estables de suministro de energía. A partir de las características de trabajo de la celda electrolítica en condiciones simuladas de energía eólica, se puede ver que la temperatura cambia con la fluctuación de la generación de energía en condiciones de operación transitorias. Una vez que cae la temperatura de la celda electrolítica, la velocidad de reacción del electrodo se ralentiza y la eficiencia disminuye. El aumento de la potencia conduce a un aumento de la temperatura, y el aumento de la producción de oxígeno e hidrógeno en la superficie del electrodo conduce a la unión de burbujas a la superficie del electrodo, aumentando así la resistencia a la transferencia de iones de la capa de catalizador y reduciendo el área de reacción efectiva. , generando así un mayor sobrepotencial de reacción, lo que resulta en un aumento en el voltaje de la celda electrolítica. La unión y el flujo de burbujas también provocan un suministro desigual de electrolito en la superficie del electrodo, lo que provoca una reacción desigual y puntos calientes locales en la superficie del electrodo.
En los últimos años, el tema del impacto de la fluctuación del suministro de energía eólica y solar en la atenuación del rendimiento o el envejecimiento de las celdas electrolíticas ha recibido mucha atención por parte de académicos nacionales y extranjeros, pero algunas conclusiones son diferentes. A través de la prueba de durabilidad de 500 h de la celda electrolítica PEM, se aclararon las características de rendimiento de la celda electrolítica bajo diferentes modos de operación, y se encontró que en el modo de operación de ciclo rápido (simulando la generación de energía fotovoltaica), a medida que la resistencia óhmica disminuía , se mejoró el rendimiento de la celda electrolítica. Después de la prueba de durabilidad de 1000 h de la celda electrolítica PEM, se encontró que la tasa de atenuación del rendimiento de la celda electrolítica fue de 194 μV/h, y el 78% de la atenuación provino del aumento en la resistencia óhmica del ánodo poroso. capa; la atenuación del rendimiento de la celda electrolítica se alivió significativamente en las condiciones de suministro de energía fluctuante eólica y solar, porque el suministro de energía fluctuante eólica y solar restauró parcialmente la degradación reversible y debilitó el problema de degradación del electrodo. La estabilidad a largo plazo del rendimiento de la celda electrolítica bajo diferentes características de entrada y su mecanismo de atenuación aún necesitan más estudios.

2. Las fluctuaciones de la energía eólica y solar aceleran la degradación de los componentes de las celdas electrolíticas.
1). capa catalítica
La capa catalítica de la celda electrolítica generalmente está compuesta por un catalizador (como metales preciosos como Pt, RuO2, Ir, IrO2) y un aglutinante (como ácido perfluorosulfónico). Para mejorar la durabilidad, la capa catalítica generalmente se carga con algunos materiales portadores conductores, como TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Los catalizadores anteriores pueden cumplir los requisitos de alto rendimiento de las celdas electrolíticas PEM, pero es difícil que la durabilidad en condiciones operativas duras sea satisfactoria. El rendimiento del ánodo se degrada más gravemente en condiciones de baja carga de catalizador, y los mecanismos de atenuación correspondientes incluyen principalmente disolución, aglomeración y pasivación del portador. Después de una prueba de durabilidad de 5500 h en la celda electrolítica PEM, se encontró que la corrosión de la capa catalítica y la degradación del catalizador de Pt eran los principales factores que conducían a la degradación del rendimiento.
2). Membrana de intercambio
En los electrolizadores PEM tradicionales, la membrana de intercambio se utiliza para separar productos de reacción gaseosos, transportar protones y soportar las capas de catalizador de cátodo y ánodo. Debe tener una excelente estabilidad química, resistencia mecánica, estabilidad térmica, conductividad de protones y otras características. La degradación del rendimiento de la membrana de intercambio se debe principalmente a la contaminación de la membrana o a la degradación química. Desde la perspectiva de la seguridad y la confiabilidad, la durabilidad de la membrana es crucial para el electrolizador. El daño a la membrana puede causar que el hidrógeno y el oxígeno generados se mezclen directamente. El mecanismo de degradación de la membrana de intercambio se divide principalmente en tres tipos: degradación mecánica, degradación térmica y degradación química/electroquímica.
3). placa bipolar
La placa bipolar es un componente multifuncional de la celda electrolítica. Conduce electrones de manera efectiva, proporciona canales para el transporte de reactivos/productos, mantiene la estabilidad mecánica y la integridad del equipo y sirve como componente de la gestión térmica. Como componente principal de la celda electrolítica, el costo representa aproximadamente el 48% del de la celda electrolítica PEM. Su diseño y fabricación deben cumplir con los requisitos de alta conductividad, resistencia a la corrosión, bajo costo y alta resistencia mecánica. Sin embargo, los cambios de voltaje/corriente bajo el suministro de energía fluctuante de la energía eólica y solar conducen a cambios desiguales o drásticos en la temperatura de la celda electrolítica, lo que resulta en una distribución desigual de la tensión o cambios repetidos de la tensión, lo que resulta en una mayor resistencia de contacto y tensión en el rendimiento mecánico. , lo que en última instancia afecta la durabilidad de la celda electrolítica.

3. Método de simulación del suministro de energía fluctuante eólica y solar.
El desarrollo de pruebas de desintegración acelerada, evaluación de la vida útil y esquemas de investigación de durabilidad para celdas electrolíticas y sus componentes ayudará a evaluar el comportamiento de desintegración de los materiales y comprender mejor el mecanismo de desintegración de los materiales. La durabilidad de las celdas electrolíticas PEM se evalúa principalmente mediante corriente constante en condiciones específicas de temperatura y presión. El tiempo de prueba de vida de las celdas electrolíticas es relativamente largo (>4 × 104 h) y el costo de evaluación de durabilidad correspondiente es relativamente alto. En la actualidad, no existe un método de evaluación de la durabilidad estandarizado y generalmente aceptado para los componentes de las celdas electrolíticas PEM. Los círculos académicos e industriales de Europa llevan mucho tiempo comprometidos con la caracterización, prueba y evaluación del rendimiento, la eficiencia y la durabilidad de las celdas electrolíticas, y han acumulado una rica experiencia. Los trabajos representativos incluyen: uso de métodos de prueba de estrés acelerados para evaluar la estabilidad química de membranas en celdas electrolíticas PEM; estudiar los efectos de diferentes formas de onda de entrada de energía solar y eólica fluctuantes sobre la degradación de las celdas electrolíticas PEM, y creer que las fuentes de energía de onda cuadrada y de diente de sierra aceleran significativamente la degradación de los electrodos; proponiendo simular el modo de operación de arranque y apagado de celdas electrolíticas mediante corriente constante y voltaje de circuito abierto, y encontrando que las condiciones de circuito abierto pueden acelerar la caída del rendimiento de las celdas electrolíticas. En general, se cree que la atenuación acelerada suele estar relacionada con la densidad de corriente, la presión y la temperatura, pero todavía faltan métodos de prueba de atenuación acelerada para celdas electrolíticas bajo fuentes de energía fluctuantes eólicas y solares y planes de implementación estandarizados relacionados. Los métodos de prueba en condiciones de un solo factor son difíciles de evaluar de manera integral las características de atenuación de las celdas electrolíticas bajo fuentes de energía fluctuantes eólicas y solares.