Ontwikkeling en toepassing van protonenuitwisselingsmembraan, waterelektrolyse, waterstofproductietechnologie onder wind- en zonne-energiefluctuaties II

Ontwikkeling en toepassing van protonenuitwisselingsmembraan, waterelektrolyse, waterstofproductietechnologie onder wind- en zonne-energiefluctuaties II

II. Basiskenmerken van waterstofproductie door PEM-waterelektrolyse onder een fluctuerend aanbod van wind- en zonne-energie
Onder de fluctuerende stroomvoorziening van wind- en zonne-energie ondergaan de werkparameters van de elektrolyseur tijdelijke veranderingen, die onomkeerbare schade aan de hoofdcomponenten kunnen veroorzaken. Bij het onderzoeken van de prestatiekenmerken van PEM-waterelektrolyse voor waterstofproductie onder de fluctuerende stroomvoorziening van wind- en zonne-energie, zijn het dempingsmechanisme en de evaluatiemethoden van PEM-elektrolysecomponenten van grote waarde voor het onderzoek en de ontwikkeling van sleuteltechnologieën voor PEM-elektrolysecomponenten.

1. Fluctuaties in wind- en zonne-energie hebben een aanzienlijke impact op elektrolytische cellen
Meestal wordt de ingangsspanning van de elektrolytische cel binnen een bepaald bereik geregeld; wanneer het ingangsvermogen van de elektrolytische cel fluctueert, verandert de spanning van de elektrolytische cel enigszins, terwijl de stroom aanzienlijk fluctueert. Wanneer in praktische toepassingen spanningsstabilisatiecontrole wordt toegepast, zal de stroom, zodra het ingangsvermogen van de elektrolytische cel verandert, scherp fluctueren, wat een scherpe verandering in de reactiesnelheid van de elektrode zal veroorzaken, waardoor de elektrolytische cel zal afwijken van de stabiele bedrijfstoestand. Vanwege het bestaan van de overpotentiaal van de elektrodereactie is de ingangsspanning aanzienlijk hoger dan de theoretische spanning; Hoewel de elektrolysereactie van water een endotherme reactie is, zorgt de door ohms verlies gegenereerde Joule-warmte ervoor dat de temperatuur van de elektrolytische cel in de loop van de tijd geleidelijk stijgt, zelfs onder stabiele stroomvoorzieningsomstandigheden. Uit de werkkarakteristieken van de elektrolytische cel onder gesimuleerde windenergieomstandigheden kan worden afgeleid dat de temperatuur verandert met de fluctuatie van de energieopwekking onder voorbijgaande bedrijfsomstandigheden. Nadat de temperatuur van de elektrolytische cel is gedaald, neemt de reactiesnelheid van de elektrode af en neemt de efficiëntie af. Het verhogen van het vermogen leidt tot een stijging van de temperatuur, en de toename van de zuurstof- en waterstofopbrengsten op het elektrodeoppervlak leidt tot de hechting van bellen aan het elektrodeoppervlak, waardoor de ionenoverdrachtsweerstand van de katalysatorlaag toeneemt en het effectieve reactieoppervlak wordt verkleind. , waardoor een hogere reactie-overpotentiaal wordt gegenereerd, wat resulteert in een verhoging van de spanning van de elektrolytische cel. De aanhechting en stroming van belletjes leidt ook tot een ongelijkmatige toevoer van elektrolyt op het elektrodeoppervlak, waardoor een ongelijkmatige reactie en lokale hotspots op het elektrodeoppervlak ontstaan.
De afgelopen jaren heeft het onderwerp van de impact van de fluctuerende stroomvoorziening uit wind- en zonne-energie op de prestatievermindering of veroudering van elektrolytische cellen veel aandacht gekregen van wetenschappers in binnen- en buitenland, maar sommige conclusies zijn anders. Door de duurzaamheidstest van 500 uur van de PEM-elektrolytische cel werden de prestatiekenmerken van de elektrolytische cel onder verschillende bedrijfsmodi verduidelijkt, en er werd vastgesteld dat in de snelle cyclusmodus (simulatie van de opwekking van fotovoltaïsche energie), de ohmse weerstand afnam werden de prestaties van de elektrolytische cel verbeterd. Na de duurzaamheidstest van 1000 uur van de PEM-elektrolytische cel bleek dat de prestatieverzwakkingssnelheid van de elektrolytische cel 194 μV/u bedroeg, en dat 78% van de verzwakking voortkwam uit de toename van de ohmse weerstand van de anode-poreuze laag; de prestatieverzwakking van de elektrolytische cel werd aanzienlijk verminderd onder de omstandigheden van een fluctuerende stroomvoorziening door wind en zon, omdat de fluctuerende stroomvoorziening door wind en zonne-energie de omkeerbare degradatie gedeeltelijk herstelde en het probleem van de degradatie van de elektrode verzwakte. De stabiliteit op lange termijn van de prestaties van de elektrolytische cel onder verschillende inputkarakteristieken en het verzwakkingsmechanisme ervan moeten nog verder worden onderzocht.

2. Fluctuaties in wind- en zonne-energie versnellen de afbraak van elektrolytische celcomponenten
1). Katalytische laag
De katalytische laag van de elektrolytische cel bestaat doorgaans uit een katalysator (zoals edelmetalen zoals Pt, RuO2, Ir, IrO2) en een bindmiddel (zoals perfluorsulfonzuur). Om de duurzaamheid te vergroten, wordt de katalytische laag meestal geladen met enkele geleidende dragermaterialen, zoals TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. De bovengenoemde katalysatoren kunnen voldoen aan de hoge prestatie-eisen van PEM-elektrolytische cellen, maar de duurzaamheid onder zware bedrijfsomstandigheden is moeilijk bevredigend te zijn. De prestaties van de anode worden ernstiger verslechterd onder omstandigheden van lage katalysatorbelasting, en de overeenkomstige verzwakkingsmechanismen omvatten hoofdzakelijk oplossing, agglomeratie en passivatie van de drager. Na een duurzaamheidstest van 5500 uur op de PEM-elektrolytische cel werd vastgesteld dat de corrosie van de katalytische laag en de afbraak van de Pt-katalysator de belangrijkste factoren waren die tot prestatievermindering leidden.
2). Wissel membraan uit
In traditionele PEM-elektrolyseapparaten wordt het uitwisselingsmembraan gebruikt om gasvormige reactieproducten te scheiden, protonen te transporteren en de kathode- en anodekatalysatorlagen te ondersteunen. Het moet uitstekende chemische stabiliteit, mechanische sterkte, thermische stabiliteit, protongeleidingsvermogen en andere kenmerken hebben. De prestatieverslechtering van het uitwisselingsmembraan is voornamelijk te wijten aan membraanverontreiniging of chemische degradatie. Vanuit het perspectief van veiligheid en betrouwbaarheid is de duurzaamheid van het membraan cruciaal voor de elektrolyseur. Door membraanschade kunnen de gegenereerde waterstof en zuurstof direct met elkaar vermengen. Het afbraakmechanisme van het uitwisselingsmembraan is hoofdzakelijk verdeeld in drie typen: mechanische afbraak, thermische afbraak en chemische/elektrochemische afbraak.
3). Bipolaire plaat
De bipolaire plaat is een multifunctioneel onderdeel van de elektrolysecel. Het geleidt effectief elektronen, biedt kanalen voor het transport van reactanten/producten, handhaaft de mechanische stabiliteit en integriteit van de apparatuur en dient als onderdeel van thermisch beheer. Als hoofdcomponent van de elektrolytische cel vertegenwoordigen de kosten ongeveer 48% van de PEM-elektrolytische cel. Het ontwerp en de fabricage moeten voldoen aan de eisen van hoge geleidbaarheid, corrosieweerstand, lage kosten en hoge mechanische sterkte. De spannings-/stroomveranderingen onder de fluctuerende stroomvoorziening van wind- en zonne-energie leiden echter tot ongelijkmatige of drastische veranderingen in de temperatuur van de elektrolytische cel, resulterend in een ongelijkmatige spanningsverdeling of herhaalde spanningsveranderingen, resulterend in verhoogde contactweerstand en mechanische prestatiebelasting. , wat uiteindelijk de duurzaamheid van de elektrolytische cel beïnvloedt.

3. Simulatiemethode voor fluctuerende stroomvoorziening van wind en zon
Het ontwikkelen van versnelde vervaltests, levensduurbeoordeling en duurzaamheidsonderzoeksprogramma's voor elektrolytische cellen en hun componenten zal helpen het vervalgedrag van materialen te evalueren en het vervalmechanisme van materialen beter te begrijpen. De duurzaamheid van PEM-elektrolytische cellen wordt voornamelijk beoordeeld aan de hand van constante stroom onder specifieke temperatuur- en drukomstandigheden. De levensduurtesttijd van elektrolytische cellen is relatief lang (> 4 x 104 uur) en de bijbehorende duurzaamheidsbeoordelingskosten zijn relatief hoog. Momenteel bestaat er geen gestandaardiseerde en algemeen aanvaarde duurzaamheidsbeoordelingsmethode voor PEM-elektrolytische celcomponenten. De academische en industriële kringen in Europa houden zich al lange tijd bezig met het karakteriseren, testen en evalueren van de prestaties, efficiëntie en duurzaamheid van elektrolytische cellen, en hebben een rijke ervaring opgebouwd. Representatieve werkzaamheden omvatten: het gebruik van versnelde stresstestmethoden om de chemische stabiliteit van membranen in PEM-elektrolytische cellen te evalueren; het bestuderen van de effecten van verschillende fluctuerende golfvormen van het ingangsvermogen van de wind en de zon op de degradatie van PEM-elektrolytische cellen, en geloven dat blokgolf- en zaagtandgolfvoedingen de degradatie van de elektroden aanzienlijk versnellen; voorstellen om de opstart- en uitschakelmodus van elektrolytische cellen te simuleren door constante stroom en open circuitspanning, en te ontdekken dat open circuitomstandigheden het prestatieverlies van elektrolytische cellen kunnen versnellen. Algemeen wordt aangenomen dat versnelde demping meestal verband houdt met stroomdichtheid, druk en temperatuur, maar er is nog steeds een gebrek aan testmethoden voor versnelde demping voor elektrolytische cellen onder fluctuerende wind- en zonne-energiebronnen en gerelateerde gestandaardiseerde implementatieplannen. Testmethoden onder omstandigheden met één factor zijn moeilijk om de dempingskarakteristieken van elektrolytische cellen onder fluctuerende wind- en zonne-energiebronnen volledig te evalueren.