Impact van waterkwaliteit op energieverbruik bij PEM-elektrolytische waterstofproductie

Elektrolysetechnologie met protonuitwisselingsmembranen (PEM) is een van de meest gangbare methoden geworden vanwege de hoge efficiëntie, hoge stroomdichtheid, brede temperatuuraanpassing en snelle reactiesnelheid. Hoewel het meeste onderzoek zich richt op de demonstratie van PEM-elektrolyzers, de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren of verbeteringen in protonuitwisselingsmembranen, blijven de optimalisatie van systemen en voedingswater belangrijke uitdagingen. Daarom benadrukt deze studie de impact van waterkwaliteitsparameters – waaronder pH, totale hoeveelheid opgeloste vaste stoffen (TDS) en geleidbaarheid – op het energieverbruik van PEM-elektrolyzers om de waterstofproductie te optimaliseren. Deze parameters zijn vaak onderling verbonden en beïnvloeden de elektrolyseprestaties.

Het werkprincipe van een PEM-elektrolyser omvat de elektrochemische ontleding van water in waterstof en zuurstof aan de elektroden. Omdat water het primaire reactiemedium is, heeft de kwaliteit ervan direct invloed op de efficiëntie van de elektrolyse en het energieverbruik. Belangrijke factoren voor de waterkwaliteit zijn pH, TDS en geleidbaarheid. De pH kan bijvoorbeeld het reactiepotentieel van de zuurstofreductie veranderen, wat het energieverbruik beïnvloedt, maar extreme pH-waarden kunnen leiden tot membraandegradatie. Een lage geleidbaarheid kan het energieverbruik helpen verminderen, maar een te hoge geleidbaarheid kan het membraan beschadigen. TDS is gerelateerd aan de geleidbaarheid van water en kan kalkaanslag veroorzaken. De American Society for Testing and Materials (ASTM) adviseert het gebruik van gedeïoniseerd water van type I (totaal organische koolstof). <50 ppb, soortelijke weerstand >1 MΩ·cm, natrium en chloor <5 µg/l). Echte waterbronnen bevatten echter vaak onzuiverheden, waardoor de zuiveringskosten stijgen. Studies tonen aan dat er geen waterstof wordt geproduceerd wanneer de TDS nul is, terwijl hoge TDS-niveaus (0-2000 ppm) de productie helpen verhogen.

1. Impact van pH op gasproductie en energieverbruik

De efficiëntie van PEM-waterelektrolyse voor waterstofproductie (inclusief gasproductie en energieverbruik) hangt nauw samen met de pH van de elektrolyt. De belangrijkste eis is dat de pH binnen het voor het elektrolysesysteem ontworpen "optimale bereik" moet blijven. Afwijking van dit bereik (te zuur of te basisch) zal de systeemprestaties aanzienlijk verminderen. Te zure of basische omgevingen kunnen katalysatoren van hun optimale werkomstandigheden afleiden, hun chemische activiteit verminderen of zelfs structurele schade veroorzaken, wat leidt tot langzamere waterstofevolutiereacties (HER) en zuurstofevolutiereacties (OER). Bovendien kunnen extreme pH-omstandigheden de hydratatietoestand en chemische stabiliteit van het protonenuitwisselingsmembraan (PEM) beïnvloeden, waardoor efficiënt H⁺-transport wordt belemmerd en "toevoeronderbrekingen" van reactanten ontstaan. Een te zure omgeving kan elektroden corroderen en leiden tot afzettingen die actieve plaatsen bedekken, terwijl een te basische omgeving onzuiverheden kan veroorzaken, wat niet alleen het energieverbruik verhoogt, maar ook de gasproductie verder remt, wat resulteert in een lagere gasproductie.

2. Impact van opgeloste vaste stoffen (TDS) op gasproductie en energieverbruik

TDS verwijst naar de totale concentratie van anorganische en organische stoffen die in water zijn opgelost en is een belangrijke indicator voor het beoordelen van de waterkwaliteit. De gasproductie neemt toe bij hogere TDS-concentraties, omdat een hoge TDS kan fungeren als katalysator voor waterstofvorming. Omgekeerd resulteren lage TDS-niveaus in een beperkte gasproductie en wordt er geen waterstof geproduceerd wanneer de TDS nul is.

TDS heeft een aanzienlijke invloed op het energieverbruik. Een hoge TDS verhoogt de geleidbaarheid van het water, maar verhoogt ook de spanning van de elektrolyser, wat leidt tot een hoger energieverbruik. Tegelijkertijd kan TDS kalkaanslag op elektroden of membranen veroorzaken, waardoor de efficiëntie afneemt. Om deze effecten te beperken, worden waterbehandelingstechnologieën (zoals omgekeerde osmose of deïonisatie) aanbevolen om de TDS te verlagen en het energieverbruik te optimaliseren.

3. Impact van geleidbaarheid op gasproductie

Geleidbaarheid is een andere belangrijke parameter die de ionenconcentratie in water weergeeft. Een hoge geleidbaarheid kan de overpotentiaal van de anodezuurstofreductiereactie (OER) verminderen, waardoor de energievraag afneemt. Een te hoge geleidbaarheid verhoogt echter het risico op membraanverslechtering en het pompenergieverbruik.

4. Impact van verschillende waterkwaliteiten op energieverbruik

Een vergelijking van de effecten van zeewater, putwater en gedemineraliseerd water op PEM-elektrolysers:

• ​​Zeewater: Een hoog gehalte aan opgeloste zouten en mineralen verhoogt de geleidbaarheid, maar verhoogt ook de weerstand, waardoor er een hogere spanning nodig is en er meer energie wordt verbruikt.

• ​​Bronwater: Minder opgeloste stoffen zorgen over het algemeen voor een lager energieverbruik dan zeewater, maar de onzekerheid in de minerale samenstelling brengt uitdagingen met zich mee.

• ​​Gedeïoniseerd water: een lage geleidbaarheid vermindert de weerstand en verbetert de energie-efficiëntie, maar het ontbreken van noodzakelijke ionen vereist voorzichtig gebruik op basis van het systeemontwerp.

5. Het belang van waterkwaliteitsbeheer

PEM-waterelektrolyse richt zich vaak op de elektrolyser zelf, maar hulpsystemen (BOP), met name het beheer van het voedingswater, zijn net zo cruciaal. Het optimaliseren van de waterkwaliteitsparameters (pH, TDS, geleidbaarheid) verbetert niet alleen de efficiëntie en gasproductie, maar verlengt ook de levensduur van de apparatuur. Hoewel de BOP voor PEM-systemen eenvoudiger is dan die voor alkalische systemen, blijft het beheersen van de zuivere waterkwaliteit een belangrijke factor voor een efficiënte en stabiele werking.