Desenvolvimento e aplicação de tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água por membrana de troca de prótons sob flutuações de energia eólica e solar II

Desenvolvimento e aplicação de tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água por membrana de troca de prótons sob flutuações de energia eólica e solar II

II. Características básicas da produção de hidrogênio por Eletrólise da água PEM sob fonte de energia flutuante eólica e solar
Sob a oscilação do fornecimento de energia eólica e solar, os parâmetros de funcionamento do eletrolisador sofrem alterações transitórias, que podem causar danos irreversíveis aos componentes principais. Explorando as características de desempenho da eletrólise da água PEM para produção de hidrogênio sob o fornecimento flutuante de energia eólica e solar, o mecanismo de atenuação e os métodos de avaliação dos componentes do eletrolisador PEM são de grande valor para a pesquisa e desenvolvimento de tecnologias-chave para componentes do eletrolisador PEM.

1. As flutuações da energia eólica e solar têm um impacto significativo nas células eletrolíticas
Normalmente, a tensão de entrada da célula eletrolítica é controlada dentro de uma determinada faixa; quando a potência de entrada da célula eletrolítica flutua, a tensão da célula eletrolítica muda ligeiramente, enquanto a corrente flutua significativamente. Quando o controle de estabilização de tensão é adotado em aplicações práticas, uma vez que a potência de entrada da célula eletrolítica muda, a corrente flutuará acentuadamente, o que causará uma mudança brusca na taxa de reação do eletrodo, fazendo com que a célula eletrolítica se desvie da condição operacional estável. Devido à existência do sobrepotencial de reação do eletrodo, a tensão de entrada é significativamente maior que a tensão teórica; embora a reação de eletrólise da água seja uma reação endotérmica, o calor Joule gerado pela perda ôhmica faz com que a temperatura da célula eletrolítica aumente gradualmente ao longo do tempo, mesmo sob condições estáveis de fornecimento de energia. A partir das características de funcionamento da célula eletrolítica sob condições simuladas de energia eólica, pode-se observar que a temperatura muda com a flutuação da geração de energia sob condições operacionais transitórias. Depois que a temperatura da célula eletrolítica cai, a taxa de reação do eletrodo diminui e a eficiência diminui. Aumentar a potência leva a um aumento na temperatura, e o aumento nos rendimentos de oxigênio e hidrogênio na superfície do eletrodo leva à fixação de bolhas na superfície do eletrodo, aumentando assim a resistência à transferência de íons da camada de catalisador e reduzindo a área efetiva de reação , gerando assim um maior sobrepotencial de reação, resultando em um aumento na tensão da célula eletrolítica. A fixação e o fluxo de bolhas também levam ao fornecimento desigual de eletrólito na superfície do eletrodo, causando reação desigual e pontos quentes locais na superfície do eletrodo.
Nos últimos anos, o tema do impacto da flutuação do fornecimento de energia eólica e solar na atenuação do desempenho ou envelhecimento das células eletrolíticas tem recebido muita atenção de estudiosos nacionais e estrangeiros, mas algumas conclusões são diferentes. Através do teste de durabilidade de 500 horas da célula eletrolítica PEM, foram esclarecidas as características de desempenho da célula eletrolítica sob diferentes modos de operação, e constatou-se que no modo de operação de ciclo rápido (simulando geração de energia fotovoltaica), à medida que a resistência ôhmica diminuiu , o desempenho da célula eletrolítica foi melhorado. Após o teste de durabilidade de 1000 horas da célula eletrolítica PEM, constatou-se que a taxa de atenuação de desempenho da célula eletrolítica foi de 194 μV/h, e 78% da atenuação veio do aumento na resistência ôhmica do anodo-poroso camada; a atenuação do desempenho da célula eletrolítica foi significativamente aliviada sob as condições de fornecimento de energia flutuante eólica e solar, porque a fonte de alimentação flutuante eólica e solar restaurou parcialmente a degradação reversível e enfraqueceu o problema de degradação do eletrodo. A estabilidade a longo prazo do desempenho da célula eletrolítica sob diferentes características de entrada e seu mecanismo de atenuação ainda precisam de mais estudos.

2. As flutuações da energia eólica e solar aceleram a degradação dos componentes das células eletrolíticas
1). Camada catalítica
A camada catalítica da célula eletrolítica é geralmente composta por um catalisador (como metais preciosos como Pt, RuO2, Ir, IrO2) e um aglutinante (como ácido perfluorossulfônico). Para aumentar a durabilidade, a camada catalítica é geralmente carregada com alguns materiais transportadores condutores, como TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Os catalisadores acima podem atender aos requisitos de alto desempenho das células eletrolíticas PEM, mas a durabilidade sob condições operacionais adversas é difícil de ser satisfatória. O desempenho do ânodo é mais seriamente degradado sob condições de baixa carga de catalisador, e os mecanismos de atenuação correspondentes incluem principalmente dissolução, aglomeração e passivação do transportador. Após um teste de durabilidade de 5.500 horas na célula eletrolítica PEM, constatou-se que a corrosão da camada catalítica e a degradação do catalisador Pt foram os principais fatores que levaram à degradação do desempenho.
2). Membrana de troca
Nos eletrolisadores PEM tradicionais, a membrana de troca é usada para separar produtos de reação gasosos, transportar prótons e apoiar as camadas catódicas do cátodo e do ânodo. Precisa ter excelente estabilidade química, resistência mecânica, estabilidade térmica, condutividade de prótons e outras características. A degradação do desempenho da membrana de troca deve-se principalmente à contaminação da membrana ou à degradação química. Do ponto de vista da segurança e confiabilidade, a durabilidade da membrana é crucial para o eletrolisador. Danos na membrana podem fazer com que o hidrogênio e o oxigênio gerados se misturem diretamente. O mecanismo de degradação da membrana de troca é dividido principalmente em três tipos: degradação mecânica, degradação térmica e degradação química/eletroquímica.
3). Placa bipolar
A placa bipolar é um componente multifuncional da célula eletrolítica. Ele conduz elétrons de maneira eficaz, fornece canais para transporte de reagentes/produtos, mantém a estabilidade mecânica e a integridade do equipamento e serve como um componente de gerenciamento térmico. Como principal componente da célula eletrolítica, o custo é responsável por cerca de 48% da célula eletrolítica PEM. Seu projeto e fabricação devem atender aos requisitos de alta condutividade, resistência à corrosão, baixo custo e alta resistência mecânica. No entanto, as mudanças de tensão/corrente sob a fonte de energia flutuante da energia eólica e solar levam a mudanças desiguais ou drásticas na temperatura da célula eletrolítica, resultando em distribuição desigual de tensão ou mudanças repetidas de tensão, resultando em aumento da resistência de contato e tensão de desempenho mecânico. , o que em última análise afeta a durabilidade da célula eletrolítica.

3. Método de simulação de fonte de alimentação flutuante eólica e solar
O desenvolvimento de testes de decaimento acelerado, avaliação de vida e esquemas de pesquisa de durabilidade para células eletrolíticas e seus componentes ajudará a avaliar o comportamento de decaimento dos materiais e a compreender melhor o mecanismo de decaimento dos materiais. A durabilidade das células eletrolíticas PEM é avaliada principalmente pela corrente constante sob condições específicas de temperatura e pressão. O tempo de teste de vida das células eletrolíticas é relativamente longo (>4×104 h) e o custo de avaliação de durabilidade correspondente é relativamente alto. Atualmente, não existe um método de avaliação de durabilidade padronizado e geralmente aceito para componentes de células eletrolíticas PEM. Os círculos académicos e industriais da Europa estão há muito empenhados em caracterizar, testar e avaliar o desempenho, a eficiência e a durabilidade das células electrolíticas e acumularam uma vasta experiência. Trabalhos representativos incluem: utilização de métodos de teste de estresse acelerado para avaliar a estabilidade química de membranas em células eletrolíticas PEM; estudar os efeitos de diferentes formas de onda de entrada de energia flutuante eólica e solar na degradação de células eletrolíticas PEM e acreditar que as fontes de alimentação de onda quadrada e dente de serra aceleram significativamente a degradação do eletrodo; propondo simular o modo de operação de inicialização e desligamento de células eletrolíticas por corrente constante e tensão de circuito aberto, e constatando que condições de circuito aberto podem acelerar a deterioração do desempenho das células eletrolíticas. Acredita-se geralmente que a atenuação acelerada está geralmente relacionada à densidade de corrente, pressão e temperatura, mas ainda faltam métodos de teste de atenuação acelerada para células eletrolíticas sob fontes de energia flutuantes eólicas e solares e planos de implementação padronizados relacionados. Os métodos de teste sob condições de fator único são difíceis de avaliar de forma abrangente as características de atenuação das células eletrolíticas sob fontes de energia flutuantes eólicas e solares.