Entwicklung und Anwendung der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionstechnologie unter Wind- und Solarenergieschwankungen II

Entwicklung und Anwendung der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionstechnologie unter Wind- und Solarenergieschwankungen II

II. Grundlegende Merkmale der Wasserstoffproduktion durch PEM-Wasserelektrolyse unter schwankender Stromversorgung durch Wind und Sonne
Unter dem schwankenden Stromangebot von Wind- und Solarenergie unterliegen die Arbeitsparameter des Elektrolyseurs vorübergehenden Änderungen, die zu irreversiblen Schäden an den Hauptkomponenten führen können. Die Erforschung der Leistungsmerkmale der PEM-Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion unter der schwankenden Stromversorgung von Wind- und Solarenergie, der Dämpfungsmechanismus und die Bewertungsmethoden von PEM-Elektrolyseurkomponenten sind von großem Wert für die Forschung und Entwicklung von Schlüsseltechnologien für PEM-Elektrolyseurkomponenten.

1. Schwankungen der Wind- und Sonnenenergie haben erhebliche Auswirkungen auf Elektrolysezellen
Normalerweise wird die Eingangsspannung der Elektrolysezelle innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert; Wenn die Eingangsleistung der Elektrolysezelle schwankt, ändert sich die Spannung der Elektrolysezelle geringfügig, während der Strom stark schwankt. Wenn in praktischen Anwendungen eine Spannungsstabilisierungssteuerung übernommen wird, schwankt der Strom stark, sobald sich die Eingangsleistung der Elektrolysezelle ändert, was zu einer starken Änderung der Elektrodenreaktionsrate führt und dazu führt, dass die Elektrolysezelle vom stabilen Betriebszustand abweicht. Aufgrund des Überpotentials der Elektrodenreaktion ist die Eingangsspannung deutlich höher als die theoretische Spannung; Obwohl es sich bei der Elektrolysereaktion von Wasser um eine endotherme Reaktion handelt, führt die durch ohmsche Verluste erzeugte Joule-Wärme dazu, dass die Temperatur der Elektrolysezelle im Laufe der Zeit auch unter stabilen Stromversorgungsbedingungen allmählich ansteigt. Aus den Arbeitseigenschaften der Elektrolysezelle unter simulierten Windkraftbedingungen ist ersichtlich, dass sich die Temperatur mit der Schwankung der Stromerzeugung unter transienten Betriebsbedingungen ändert. Nachdem die Temperatur der Elektrolysezelle gesunken ist, verlangsamt sich die Elektrodenreaktionsgeschwindigkeit und der Wirkungsgrad nimmt ab. Eine Erhöhung der Leistung führt zu einem Temperaturanstieg, und die Erhöhung der Sauerstoff- und Wasserstoffausbeute auf der Elektrodenoberfläche führt zur Anlagerung von Blasen an der Elektrodenoberfläche, wodurch der Ionentransferwiderstand der Katalysatorschicht erhöht und die effektive Reaktionsfläche verringert wird Dadurch entsteht ein höheres Reaktionsüberpotential, was zu einem Anstieg der Spannung der Elektrolysezelle führt. Das Anhaften und Fließen von Blasen führt außerdem zu einer ungleichmäßigen Versorgung der Elektrodenoberfläche mit Elektrolyt, was zu ungleichmäßigen Reaktionen und lokalen Hotspots auf der Elektrodenoberfläche führt.
In den letzten Jahren hat das Thema der Auswirkungen der schwankenden Stromversorgung durch Wind und Sonne auf die Leistungsminderung oder Alterung von Elektrolysezellen viel Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern im In- und Ausland erhalten, einige Schlussfolgerungen sind jedoch unterschiedlich. Durch den 500-Stunden-Haltbarkeitstest der PEM-Elektrolysezelle wurden die Leistungsmerkmale der Elektrolysezelle in verschiedenen Betriebsmodi geklärt und es wurde festgestellt, dass im Schnellzyklus-Betriebsmodus (Simulation der photovoltaischen Stromerzeugung) der ohmsche Widerstand abnahm , wurde die Leistung der Elektrolysezelle verbessert. Nach dem 1000-Stunden-Haltbarkeitstest der PEM-Elektrolysezelle wurde festgestellt, dass die Leistungsabschwächungsrate der Elektrolysezelle 194 μV/h betrug und 78 % der Abschwächung auf die Erhöhung des ohmschen Widerstands des Anodenporens zurückzuführen waren Schicht; Der Leistungsabfall der Elektrolysezelle wurde unter den Bedingungen der schwankenden Stromversorgung durch Wind und Sonne erheblich gemildert, da die schwankende Stromversorgung durch Wind und Sonne die reversible Verschlechterung teilweise wiederherstellte und das Problem der Elektrodenverschlechterung abschwächte. Die Langzeitstabilität der Leistung der Elektrolysezelle unter verschiedenen Eingangseigenschaften und ihr Dämpfungsmechanismus müssen noch weiter untersucht werden.

2. Schwankungen der Wind- und Sonnenenergie beschleunigen die Verschlechterung der Komponenten von Elektrolysezellen
1). Katalytische Schicht
Die katalytische Schicht der Elektrolysezelle besteht im Allgemeinen aus einem Katalysator (z. B. Edelmetalle wie Pt, RuO2, Ir, IrO2) und einem Bindemittel (z. B. Perfluorsulfonsäure). Um die Haltbarkeit zu erhöhen, wird die katalytische Schicht normalerweise mit einigen leitfähigen Trägermaterialien wie TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC beladen. Die oben genannten Katalysatoren können die hohen Leistungsanforderungen von PEM-Elektrolysezellen erfüllen, die Haltbarkeit unter rauen Betriebsbedingungen ist jedoch nur schwer zufriedenstellend. Die Leistung der Anode wird bei geringer Katalysatorbeladung stärker beeinträchtigt, und die entsprechenden Abschwächungsmechanismen umfassen hauptsächlich Auflösung, Agglomeration und Trägerpassivierung. Nach einem 5500-stündigen Haltbarkeitstest der PEM-Elektrolysezelle wurde festgestellt, dass die Korrosion der katalytischen Schicht und die Verschlechterung des Pt-Katalysators die Hauptfaktoren für den Leistungsabfall waren.
2). Austauschmembran
In herkömmlichen PEM-Elektrolyseuren wird die Austauschmembran zur Trennung gasförmiger Reaktionsprodukte, zum Transport von Protonen und zur Unterstützung der Kathoden- und Anodenkatalysatorschichten verwendet. Es muss eine ausgezeichnete chemische Stabilität, mechanische Festigkeit, thermische Stabilität, Protonenleitfähigkeit und andere Eigenschaften aufweisen. Der Leistungsabfall der Austauschmembran ist hauptsächlich auf Membranverunreinigung oder chemischen Abbau zurückzuführen. Unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit und Zuverlässigkeit ist die Haltbarkeit der Membran für den Elektrolyseur von entscheidender Bedeutung. Durch Membranschäden kann es zu einer direkten Vermischung des erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs kommen. Der Abbaumechanismus der Austauschmembran wird hauptsächlich in drei Typen unterteilt: mechanischer Abbau, thermischer Abbau und chemischer/elektrochemischer Abbau.
3). Bipolarplatte
Die Bipolarplatte ist ein multifunktionaler Bestandteil der Elektrolysezelle. Es leitet Elektronen effektiv, stellt Kanäle für den Reaktanten-/Produkttransport bereit, erhält die mechanische Stabilität und Integrität der Ausrüstung aufrecht und dient als Komponente des Wärmemanagements. Als Hauptbestandteil der Elektrolysezelle machen die Kosten etwa 48 % der PEM-Elektrolysezelle aus. Seine Konstruktion und Herstellung sollten die Anforderungen an hohe Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, niedrige Kosten und hohe mechanische Festigkeit erfüllen. Allerdings führen die Spannungs-/Stromänderungen unter der schwankenden Stromversorgung von Wind- und Solarenergie zu ungleichmäßigen oder drastischen Änderungen der Temperatur der Elektrolysezelle, was zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung oder wiederholten Spannungsänderungen führt, was zu einem erhöhten Kontaktwiderstand und einer mechanischen Leistungsbelastung führt , was sich letztendlich auf die Haltbarkeit der Elektrolysezelle auswirkt.

3. Simulationsmethode für die schwankende Stromversorgung von Wind und Sonne
Die Entwicklung beschleunigter Zerfallstests, Lebensdauerbewertungs- und Haltbarkeitsforschungsprogramme für Elektrolysezellen und ihre Komponenten wird dazu beitragen, das Zerfallsverhalten von Materialien zu bewerten und den Zerfallsmechanismus von Materialien besser zu verstehen. Die Haltbarkeit von PEM-Elektrolysezellen wird hauptsächlich durch Konstantstrom unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen bewertet. Die Lebensdauertestzeit von Elektrolysezellen ist relativ lang (>4×104 h), und die entsprechenden Kosten für die Haltbarkeitsbewertung sind relativ hoch. Derzeit gibt es keine standardisierte und allgemein anerkannte Methode zur Bewertung der Haltbarkeit von PEM-Elektrolysezellenkomponenten. Die akademischen und industriellen Kreise in Europa widmen sich seit langem der Charakterisierung, Prüfung und Bewertung der Leistung, Effizienz und Haltbarkeit von Elektrolysezellen und verfügen über umfangreiche Erfahrungen. Zu den repräsentativen Arbeiten gehören: Verwendung beschleunigter Stresstestmethoden zur Bewertung der chemischen Stabilität von Membranen in PEM-Elektrolysezellen; Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Eingangswellenformen von Wind- und Solarenergieschwankungen auf die Verschlechterung von PEM-Elektrolysezellen und Annahme, dass Stromversorgungen mit Rechteck- und Sägezahnwellen die Elektrodendegradation erheblich beschleunigen; Sie schlagen vor, den Start- und Abschaltmodus von Elektrolysezellen durch konstanten Strom und Leerlaufspannung zu simulieren, und stellen fest, dass Leerlaufbedingungen den Leistungsabfall von Elektrolysezellen beschleunigen können. Es wird allgemein angenommen, dass die beschleunigte Dämpfung normalerweise mit der Stromdichte, dem Druck und der Temperatur zusammenhängt, es mangelt jedoch immer noch an beschleunigten Dämpfungstestmethoden für Elektrolysezellen unter schwankenden Wind- und Solarstromquellen und entsprechenden standardisierten Implementierungsplänen. Testmethoden unter Einzelfaktorbedingungen sind schwierig, die Dämpfungseigenschaften von Elektrolysezellen unter schwankenden Wind- und Solarenergiequellen umfassend zu bewerten.