Испытательный стенд для гидроэлектролиза - это специальное экспериментальное оборудование для изучения, проверки и оптимизации процессов гидроэлектролиза (включая щелочной гидролиз, гидролиз протонной мембраны и другие технологии), основной принцип работы которого основан на электрохимической природе электролитической воды и обеспечивает точное управление процессом электролиза, мониторинг параметров и оценку производительности путем интеграции различных функциональных модулей. Ниже приводится подробное описание основных принципов, состава ключевых систем и рабочего процесса:
Основные принципы: электрохимические реакции электролитической воды
Суть гидроэлектролиза заключается в том, чтобы под действием внешнего источника постоянного тока молекула воды (H2O) восстанавливалась и окислялась на обоих полюсах инь и ян электролиза, соответственно, и распадалась на водород (H2O) и кислород (O2B) со следующей реакцией:
Катодная реакция (восстановительная реакция): Молекулы воды получают электроны, генерируя ионы водорода и гидроксина (щелочные условия) или ионы водорода (кислые / протонные мембранные условия).
Щелочные условия: 2Hneneneen O + 2e ⁻ → Hneneneed ↑ + 2OH ⁻
Условия мембраны обмена протонами (PEM): 2H ⁺ + 2e ⁻ → H2↑ (H⁺ образуется при разложении анодной воды и перемещается в катод через мембрану обмена протонами)
Анолярная реакция (реакция окисления): Молекулы воды теряют электроны и вырабатывают ионы кислорода и водорода (или реагируют с OH ⁻, чтобы генерировать воду).
Щелочные условия: 4OH ⁻ - 4e ⁻ → Oneneneed ↑ + 2H2O
Условия PEM: 2H2O - 4e ⁻ → O2↑ + 4H ⁺
Вышеупомянутая реакция должна преодолеть энергетический барьер разложения молекул воды, поэтому испытательный стенд должен обеспечить достаточное электролитическое напряжение (теоретическое напряжение разложения составляет 1,23 В, в действительности из - за поляризации, сопротивления и других потерь, рабочее напряжение обычно составляет 1,5 ~ 2,5 В) через электродный материал (например, платина катода, никель, анодный оксид иридия рутения и т. Д.), чтобы уменьшить энергию активации реакции и повысить эффективность электролиза.
II. Состав и функции ключевых систем
Испытательный стенд для гидроэлектролиза не является единым устройством, а состоит из модуля электролитического бассейна, модуля подачи энергии, модуля управления жидкостью, модуля мониторинга параметров и вспомогательной системы, каждый модуль совместно реализует управляемость и измеримость электролитического процесса.
1. Модуль электролитического бассейна (основной реактивный контейнер)
Электролизный бассейн является ядром реакции, и его структура спроектирована в соответствии с требованиями испытаний (например, щелочные, ПЭМ, гидролиз твердых оксидов и другие технические маршруты) и в основном содержит:
инь / анод: использование экспериментальных целевых материалов (например, электродов с покрытием новым катализатором), обеспечивающих точки реакции;
диафрагма / электролит: разделение анодных газов (предотвращение смешанных взрывов H2и O2s) при одновременной передаче ионов (например, OH⁻ проводимость асбестовой диафрагмы в щелочном электролизере, H⁺ проводимость протонной мембраны в электролизере PEM);
Поток: спроектирован как независимый поток входящей воды, производящей водород и производящей кислород, чтобы обеспечить равномерное распределение жидкости.
2. Модуль подачи энергии (источник энергии, приводящий реакцию)
Обычно для высокоточного источника постоянного тока, может быть реализовано « постоянное напряжение» « постоянный ток» двух режимов выхода:
Режим постоянного напряжения: фиксированное электролитическое напряжение, мониторинг изменения тока (отражает скорость реакции, активность электрода);
Режим постоянного тока: фиксированный электролитический ток, мониторинг изменения напряжения (отражает сопротивление системы, степень поляризации).
Некоторые высокопроизводительные испытательные стенды также поддерживают электрохимические режимы испытаний, такие как « линейные сканирующие вольт - амперы», « ток / потенциал времени » для анализа динамических характеристик электродов.
3. Модуль управления жидкостью (для обеспечения стабильной подачи реакций)
Отвечает за обеспечение электролитического бассейна стабильной деионизированной водой (электролитным раствором) и контроль параметров жидкости:
Система подачи воды: подача деионизированной воды через прецизионный ползучий насос или плунжерный насос (чистота должна достигать 18Момега / см, чтобы избежать воздействия примесей на свойства электрода), расход может быть точно отрегулирован (обычно 0,1 - 10мл / мин);
Система выхлопа и разделения: после разделения газожидкостной смеси, образующейся в результате электролиза, через газожидкостный сепаратор газ (H2O, O2C) выделяется по отдельному трубопроводу, жидкость возвращается или рециркулируется;
Контроль температуры: через нагревательную втулку, водяную ванну с постоянной температурой, завернутую в электролитический бассейн, температура реакции будет контролироваться в заданном диапазоне (например, от 25 до 80°C), чтобы изучить влияние температуры на эффективность электролиза.
4. Модуль мониторинга параметров (ядро для оценки производительности)
В режиме реального времени собираются ключевые параметры процесса электролиза для расчета эффективности электролиза, потребления энергии и других показателей производительности, основные параметры мониторинга включают:
Электрические параметры: мониторинг электролитического напряжения, тока, сопротивления с помощью собственных датчиков питания или внешних электрохимических рабочих станций (тест EIS);
Параметры газа: измерение продуктивности H2O и O2C с помощью расходомера газа (например, расходомера массы) и анализ чистоты газа с помощью газовой хроматографии (определение содержания микро - O2B или H2C);
Параметры жидкости и окружающей среды: Мониторинг температуры электролитического бассейна, системного давления с помощью датчиков температуры и давления, контроль чистоты входящей воды с помощью индикаторов проводимости.
III. Типичный рабочий процесс
В качестве примера можно привести испытательный стенд для гидроэлектролиза PEM, стандартный рабочий процесс которого выглядит следующим образом:
Этап подготовки: впрыскивание деионизированной воды в бак, проверка герметичности электролитического бассейна, состояние соединения электродов, установление целевой температуры, расход воды;
Запуск и стабилизация: Включите термостатическую систему и запустите входной насос для подачи воды в электролизный бассейн после того, как температура в электролизном бассейне достигнет стандарта; Включите источник постоянного тока, с системой подогрева низкого тока / напряжения 5 - 10 минут, чтобы исключить пузырьки в канале;
Электролиз и мониторинг: переключение на целевой режим работы (например, постоянный ток), регистрация напряжения, производительности газа, температуры и других параметров в режиме реального времени; Если необходимо изучить свойства электродов, можно запустить электрохимическую рабочую станцию для линейного сканирования или испытания сопротивления;
Обработка данных: расчет основных показателей на основе данных мониторинга, таких как "эффективность электролиза" (отношение фактической выработки водорода к теоретической выработке водорода), "удельное энергопотребление" (электрическая энергия, потребляемая единицей производства H2b, единица: кВт / нм³);
Стадия простоя: сначала уменьшите выход питания до нуля, выключите питание; Остановите впускной насос, опорожните остаточную воду в электролизере и продувайте канал азотом или сухим воздухом, чтобы предотвратить влажность электродов или старение диафрагмы.