Ảnh hưởng của chất lượng nước đối với hiệu suất điện phân PEM

Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, sản xuất hydro bằng cách điện phân rất hứa hẹn do tiềm năng của nó như một môi trường lưu trữ năng lượng.Màng trao đổi proton (PEM)là một trong những công nghệ chính cho sản xuất hydro bằng cách điện phân do các ưu điểm của nó như hiệu quả cao, mật độ dòng điện lớn, phạm vi nhiệt độ thấp và tốc độ phản ứng nhanh. Hầu hết các nghiên cứu về sản xuất hydro bằng cáchĐiện phân PEMTập trung vào việc chứng minh sản xuất hydro bằng điện phân PEM, sự phát triển của các chất xúc tác mới và sự phát triển của mớiMàng trao đổi protonchất điện giải. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hệ thống và nước cho ăn vẫn là một thách thức. Do đó, nghiên cứu này nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng nước đối với mức tiêu thụ năng lượng củaĐiện phân PEM, tập trung vào tổng chất rắn hòa tan (TDS), pH nước và độ dẫn điện (tất nhiên, ba yếu tố này thường ảnh hưởng đến nhau).

Hiệu quả và tiêu thụ năng lượng củaĐiện phân PEMphụ thuộc vào chất lượng của nước có ảnh hưởng. Nghiên cứu này đã xác nhận ba thông số ảnh hưởng đến tính chất nước: pH (3, 7, 9), tổng chất rắn hòa tan (TDS) (300ppm, 600ppm, 900ppm) và độ dẫn (độ dẫn: 30ms/cm, 70ms/cm, 100ms/cm)Điện phân PEM. Kết quả cho thấy lượng hydro được tạo ra bị ảnh hưởng đáng kể bởi pH, tổng chất rắn hòa tan và độ dẫn điện và mức độ tối ưu của mỗi biến được xác định thông qua thử nghiệm mở rộng.

Nguyên tắc làm việc của các chất điện phân PEM là tách nước điện hóa thành oxy và hydro tại các điện cực tương ứng của chúng. Vì nước là môi trường để sản xuất hydro, chất lượng của nó có thể ảnh hưởng đến kết quả của quá trình điện phân. Chất lượng nước có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của các chất điện phân PEM bao gồm pH, tổng chất rắn hòa tan (TDS) và độ dẫn. Ví dụ, giá trị pH của chất điện phân ảnh hưởng đến việc sản xuất hydro và mức tiêu thụ năng lượng của chất điện phân PEM; Giá trị pH thấp hơn có thể làm giảm phản ứng giảm oxy tổng thể (phản ứng tiến hóa oxy: OER), do đó làm giảm mức tiêu thụ năng lượng, nhưng có một vấn đề về sự thoái hóa màng; Một yếu tố quan trọng khác là độ dẫn điện, độ dẫn thấp cũng sẽ làm giảm tiềm năng tổng thể, do đó làm giảm năng lượng cần thiết và độ dẫn cao cũng sẽ làm hỏng màng; Các hoạt động quá mức giữa các phản ứng giảm hydro và oxy cũng có sự phân bố không đối xứng và phụ thuộc vào pH. Do đó, cần phải tối ưu hóa giá trị pH, giá trị TDS và độ dẫn điện để đảm bảo cải thiện hiệu suất của điện phân PEM. Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) khuyến cáo rằng các chất điện phân PEM thương mại sử dụng nước khử ion loại I, nghĩa là nước có tổng hàm lượng carbon hữu cơ dưới 50ppb, điện trở suất hơn 1 MΩ.cm và hàm lượng natri và clorua dưới 5. Tuy nhiên, hầu hết tất cả tài nguyên nước đều không trong sạch, điều đó có nghĩa là tinh chế nước cho các chất điện phân PEM đòi hỏi chi phí bổ sung. Một nghiên cứu về ảnh hưởng của TDS đối với hiệu quả của tế bào quang điện cho thấy mức độ nước TDS càng cao (0-2000ppm), năng suất càng tốt, trong khi khi mức TDS giảm xuống 0, không có năng suất. Tương tự, kết quả của một nghiên cứu sử dụng nước sông nhân tạo (nước mềm) làm chất điện phân của chất điện phân PEM cho thấy hiệu suất của chất điện phân giảm do sự gia tăng nồng độ ion canxi và magiê. Hiệu suất của tế bào và tuổi thọ cơ học của chất điện phân PEM đã giảm.

1. Ảnh hưởng của giá trị pH đối với sản xuất khí và tiêu thụ năng lượng điện giải

1.1. Ảnh hưởng của giá trị pH đối với sản xuất khí

Khi giá trị pH của chất điện phân thay đổi, lượng hydro và oxy tạo ra cũng thay đổi. Mối quan hệ chức năng giữa lượng hydro và oxy được tạo ra và giá trị thời gian và pH, giá trị pH thay đổi từ 3 thành 11 trong các khoảng thời gian đều đặn. Điều thú vị là, kết quả ban đầu cho thấy lượng hydro và oxy tạo ra giảm khi giá trị pH tăng từ 3 lên 7, điều này cho thấy quá trình điện phân có thể chậm ở pH trung tính. Đáng ngạc nhiên, kết quả cho thấy việc sản xuất hydro và oxy tăng đáng kể ở độ pH 11, cho thấy độ kiềm của mẫu nước có thể góp phần sản xuất hydro và oxy.

1.2 Ảnh hưởng của pH đến mức tiêu thụ năng lượng

Độ pH của chất điện phân ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống. Độ pH ảnh hưởng đến độ dẫn của chất điện phân, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình điện phân. Thông thường, phạm vi pH tối ưu cho các chất điện giải PEM là từ 7 đến 9. Độ pH càng cao, chất điện phân càng dẫn, có thể cải thiện hiệu quả của quá trình điện phân. Tuy nhiên, nếu độ pH quá cao, màng trong chất điện phân có thể bị hỏng, dẫn đến giảm hiệu suất và tăng tiêu thụ năng lượng. Mặt khác, nếu độ pH quá thấp, độ dẫn của chất điện phân có thể giảm, dẫn đến giảm hiệu quả và tăng tiêu thụ năng lượng. Ngoài ra, độ pH quá thấp có thể khiến màng khô, cũng có thể làm giảm hiệu suất và tăng mức tiêu thụ năng lượng. Tiêu thụ năng lượng của chất điện phân PEM tăng ở giá trị pH thấp hơn. Ở độ pH 8, mức tiêu thụ năng lượng là thấp nhất, ở mức 45kWh/m3 H2. Khi giá trị pH tăng hoặc giảm, mức tiêu thụ năng lượng bắt đầu tăng.

2. Ảnh hưởng của tổng chất rắn hòa tan (TDS) đến sản xuất khí và tiêu thụ năng lượng

2.1. Ảnh hưởng của TDS đến sản xuất khí

Khi đánh giá ba nồng độ TDS khác nhau, 300 ppm là nồng độ thấp, 600 ppm là nồng độ trung bình và 900 ppm là nồng độ cao. Các kết quả phù hợp với các nghiên cứu khác. Kết quả cho thấy rằng nồng độ TDS tăng lên, việc sản xuất hydro và oxy tăng lên, có thể là chất xúc tác cho sự hình thành hydro. Có thể kết luận rằng việc sản xuất hydro từ nước thuận lợi hơn ở các mức TDS cao hơn, trong khi sản xuất bị hạn chế ở nồng độ thấp, cho thấy rằng không có hydro nào có thể được sản xuất ở mức TDS bằng không:

2.2 Ảnh hưởng của TDS đến tiêu thụ năng lượng

Tổng chất rắn hòa tan (TDS) có tác động đáng kể đến việc tiêu thụ năng lượng của điện phân màng trao đổi proton (PEM). TDS đề cập đến nồng độ của tất cả các chất vô cơ và hữu cơ hòa tan trong nước. Khi các chất này có trong nước được sử dụng trong chất điện phân, chúng ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả của chất điện phân. TDS trong nước làm tăng độ dẫn của nước, dẫn đến sự gia tăng điện áp tế bào điện phân cần thiết cho điện phân. Sự gia tăng điện áp tế bào dẫn đến sự gia tăng mức tiêu thụ năng lượng của chất điện phân. Ngoài ra, TDS có thể gây ra tỷ lệ của các điện cực và màng, làm giảm hiệu quả của chất điện phân và làm tăng thêm mức tiêu thụ năng lượng. Để giảm thiểu tác động của TDS đối với tiêu thụ năng lượng, cần phải đảm bảo rằng nước được sử dụng trong điện phân PEM có độ tinh khiết cao và nồng độ TDS thấp. Các công nghệ xử lý nước như thẩm thấu ngược và khử ion có thể được sử dụng để loại bỏ TD khỏi nước, do đó cải thiện hiệu quả của các chất điện phân PEM và giảm mức tiêu thụ năng lượng của chúng.

3. Ảnh hưởng của độ dẫn đến sản xuất khí

Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng của các chất điện phân PEM là độ dẫn điện. Giảm mức độ quá mức cần thiết cho oer cực dương có thể làm giảm nhu cầu năng lượng, điều này được phản ánh trong thực tế là các giá trị độ dẫn cao hơn cũng có nghĩa là nồng độ ion cao hơn trong dung dịch điện phân. Tuy nhiên, độ dẫn cao cũng làm tăng khả năng suy giảm màng và tăng năng lượng cần thiết để bơm. Việc sản xuất hydro phụ thuộc phần lớn vào độ dẫn và một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng bằng cách sử dụng các giải pháp khác nhau để tăng độ dẫn, có thể đạt được độ dẫn khác nhau, do đó làm tăng sản xuất hydro.

4. Ảnh hưởng của các chất lượng nước khác nhau đến mức tiêu thụ năng lượng điện phân PEM

Nước biển, nước giếng và nước khử ion là ba loại nước khác nhau có thể ảnh hưởng đến các yêu cầu năng lượng của điện phân màng trao đổi proton (PEM). Nước biển chứa một lượng lớn muối hòa tan, khoáng chất và các chất gây ô nhiễm khác. Bởi vì những chất gây ô nhiễm này làm tăng độ dẫn của nước, điện trở của điện phân tăng. Bởi vì cần nhiều năng lượng hơn để vượt qua điện trở, quá trình điện phân chậm lại. Để cung cấp dòng điện cần thiết, cần có điện áp cao hơn, điều này cũng dẫn đến sự gia tăng tổng thể trong việc sử dụng năng lượng. Nước giếng thường thấp hơn nhiều trong các muối và chất gây ô nhiễm hòa tan so với nước biển. Khoáng chất và các chất khác có thể can thiệp vào điện phân vẫn có thể tồn tại. Chính xác làm thế nào thành phần của nước giếng ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng vẫn không chắc chắn ở một mức độ nào đó. Năng lượng cần thiết để xử lý nước giếng thường ít hơn năng lượng cần thiết để xử lý nước biển hoặc nước khử ion. Nước khử ion là nước đã loại bỏ các ion khoáng trong quá trình khử ion. Nó cũng được gọi là nước khử ion và nước cất. Nước khử ion có độ dẫn thấp hơn nhiều so với nước biển và nước giếng. Do đó, nó có điện trở thấp hơn trong quá trình điện phân và đòi hỏi ít năng lượng hơn để tạo ra cùng một dòng điện. Sử dụng nước khử ion trong chất điện phân PEM có thể cải thiện hiệu quả năng lượng. Nước khử ion có độ dẫn điện kém, có thể giúp tiết kiệm năng lượng, nhưng nó không chứa bất kỳ ion nào cần thiết cho các phản ứng điện hóa trong chất điện phân. Yêu cầu chất lượng nước cần được xem xét cẩn thận dựa trên thiết kế và hoạt động cụ thể của hệ thống điện phân PEM, bởi vì các ion này rất quan trọng để duy trì hiệu suất và tuổi thọ của các thành phần điện phân.

Nói tóm lại, trong điện phân nước PEM, chúng ta thường chú ý nhiều hơn đến chính chất điện phân và bỏ qua tầm quan trọng của BOP. Nhiều người cũng nghĩ rằng bop của PEM đơn giản hơn so với kiềm. Trên thực tế, mặc dù PEM không yêu cầu một hệ thống tách khí-lỏng lớn như kiềm, nhưng cũng rất quan trọng để quản lý chất lượng của nước tinh khiết. Quản lý chất lượng nước tinh khiết không chỉ đảm bảo hoạt động hiệu quả mà còn giúp tăng tuổi thọ.