PEM 전해저 성능에 대한 수질의 영향

재생 가능한 에너지 원들 중에서 전기 분해에 의한 수소 생산은 에너지 저장 매체로서의 잠재력으로 인해 매우 유망합니다.양성자 교환 막 (PEM)고효율, 대량 밀도, 저온 범위 및 빠른 응답 속도와 같은 장점으로 인해 전기 분해로 수소 생산을위한 주류 기술 중 하나입니다. 수소 생산에 대한 대부분의 연구PEM 전기 분해PEM 전기 분해, 새로운 촉매의 개발 및 새로운 개발에 의한 수소 생산 시연에 중점을 둡니다.양성자 교환 막전해질. 그러나 시스템과 급수의 최적화는 여전히 어려운 일입니다. 따라서이 연구는 수질이의 에너지 소비에 미치는 영향을 조사합니다.PEM 전해저, 총 용존 고형물 (TDS), 물 pH 및 전도도에 중점을 둡니다 (물론이 세 가지 요소는 종종 서로 영향을 미칩니다).

효율성과 에너지 소비PEM 전해저유입수의 품질에 따라 다릅니다. 이 연구는 PH (3, 7, 9), 총 용존 고형물 (TDS) (300ppm, 600ppm, 900ppm) 및 전도도 (전도도 : 30ms/cm, 70ms/cm, 100ms/cm)의 물 특성에 영향을 미치는 3 가지 매개 변수를 검증했습니다.PEM 전해저. 결과는 생성 된 수소의 양이 pH, 총 용존 고체 및 전도도에 의해 크게 영향을 받았으며, 각 변수의 최적 수준은 광범위한 시험을 통해 결정되었다.

PEM 전해저의 작동 원리는 각각의 전극에서 물을 산소와 수소로 전기 화학적으로 분리하는 것입니다. 물은 수소를 생산하기위한 배지이므로 품질은 전기 분해 공정의 결과에 영향을 줄 수 있습니다. PEM 전해질의 효율에 영향을 줄 수있는 물질에는 pH, 총 용존 고형물 (TDS) 및 전도도가 포함됩니다. 예를 들어, 전해질의 pH 값은 수소의 생산 및 PEM 전해저의 에너지 소비에 영향을 미칩니다. pH 값이 낮을수록 전체 산소 감소 반응 (산소 진화 반응 : OER) 전위를 감소시켜 에너지 소비를 감소시킬 수 있지만 막 분해의 문제가 있습니다. 또 다른 중요한 요소는 전도성이며, 낮은 전도도는 전체 전위를 감소시켜 필요한 에너지를 줄이고, 높은 전도도는 또한 막을 손상시킬 것입니다. 수소와 산소 환원 반응 사이의 활성 과도한 수소는 또한 pH에 대한 비대칭 및 의존적 분포를 갖는다. 따라서 PEM 전해저의 성능을 개선하기 위해 pH 값, TDS 값 및 전도도를 최적화해야합니다. ASTM (American Society for Testing and Materials)은 상업용 Pem 전해저가 유형 I 탈 이온수, 즉 총 유기 탄소 함량이 50ppb 미만인 물, 1MΩ.cm 이상의 저항력 및 5µg/l 미만의 나트륨 및 클로라이드 함량을 사용하도록 권장합니다. 그러나 거의 모든 수자원이 부족하므로 PEM 전해저의 물 정제에는 추가 비용이 필요합니다. 태양 광 세포 효율에 대한 TDS의 영향에 대한 연구에 따르면 TDS 수준의 물 (0-2000ppm)이 높을수록 수율이 높아지고 TDS 수준이 0으로 떨어질 때 수율은 없었습니다. 유사하게, PEM 전해저의 전해질로 인공 강수 (연질 물)를 사용한 연구 결과는 칼슘 및 마그네슘 이온 농도의 증가로 인해 전해저의 성능이 감소 함을 보여 주었다. PEM 전해저의 세포 성능 및 기계적 수명이 감소되었습니다.

1. 가스 생산 및 전해저 에너지 소비에 대한 pH 값의 영향

1.1. 가스 생산에 대한 pH 값의 영향

전해질의 pH 값이 변화함에 따라, 생성 된 수소와 산소의 양도 변화한다. 생성 된 수소와 산소의 양과 시간 및 pH 값 사이의 기능 관계는 정기적으로 3 내지 11로 변한다. 흥미롭게도, 초기 결과는 pH 값이 3에서 7로 상승함에 따라 생성 된 수소와 산소의 양이 감소 함을 보여줍니다. 이는 전기 분해 공정이 중성 pH에서 느리게 될 수 있음을 나타냅니다. 놀랍게도, 결과는 수소와 산소의 생성이 pH 11에서 상당히 증가했음을 보여 주었고, 이는 물 샘플의 알칼리도가 수소 및 산소의 생산에 기여할 수 있음을 나타낸다.

1.2 에너지 소비에 대한 pH의 영향

전해질의 pH는 시스템의 에너지 소비에 영향을 미칩니다. pH는 전해질의 전도도에 영향을 미치며, 이는 전기 분해 공정의 효율에 영향을 미칩니다. 전형적으로, PEM 전해질에 대한 최적의 pH 범위는 7 내지 9 사이이며, pH가 높을수록 전기 분해 공정의 효율을 향상시킬 수있다. 그러나 pH가 너무 높으면 전해저의 막이 손상되어 성능이 감소하고 에너지 소비가 증가합니다. 한편, pH가 너무 낮 으면 전해질의 전도도가 감소하여 효율이 감소하고 에너지 소비가 증가합니다. 또한, pH가 너무 낮 으면 막이 건조되어 성능을 줄이고 에너지 소비를 증가시킬 수 있습니다. PEM 전해저의 에너지 소비는 더 낮은 pH 값에서 증가합니다. pH 8에서, 에너지 소비는 45kWh/m3 H2에서 가장 낮다. pH 값이 증가하거나 감소함에 따라 에너지 소비가 증가하기 시작합니다.

2. 가스 생산 및 에너지 소비에 대한 총 용존 고체 (TDS)의 효과

2.1. 가스 생산에 대한 TDS의 영향

3 개의 다른 TDS 농도를 평가할 때, 300 ppm은 낮은 농도, 600 ppm은 중간 농도이며 900ppm은 고농도입니다. 결과는 다른 연구와 일치합니다. 결과는 TDS 농도가 증가함에 따라 수소 및 산소의 생성이 증가하여 수소의 형성을위한 촉매 일 수 있음을 보여준다. 물에서 수소의 생산은 더 높은 TDS 수준에서 더 유리하다고 결론을 내릴 수 있지만, 생산량은 낮은 농도로 제한되어 있으며, 이는 0 TDS 수준에서 수소가 생성 될 수 없음을 나타냅니다.

2.2 에너지 소비에 대한 TDS의 영향

총 용존 고체 (TDS)는 양성자 교환 막 (PEM) 전해저의 에너지 소비에 상당한 영향을 미칩니다. TDS는 물에 용해 된 모든 무기 및 유기 물질의 농도를 나타냅니다. 이러한 물질이 전해기에 사용되는 물에 존재하면 전해저의 성능과 효율에 영향을 미칩니다. 물의 TDS는 물의 전도도를 증가시켜 전기 분해에 필요한 전해 세포 전압의 증가를 초래합니다. 세포 전압의 증가는 전해저의 에너지 소비를 증가시킨다. 또한, TDS는 전극과 막의 스케일링을 유발하여 전해저의 효율을 감소시키고 에너지 소비를 더욱 증가시킵니다. 에너지 소비에 대한 TDS의 영향을 완화하려면 PEM 전해저에 사용되는 물이 순도가 높고 TDS 농도가 낮도록해야합니다. 역삼 투 및 탈 이온화와 같은 수처리 기술은 물에서 TDS를 제거하는 데 사용될 수있어 PEM 전해질의 효율을 향상시키고 에너지 소비를 줄입니다.

3. 가스 생산에 대한 전도도의 영향

PEM 전해저의 에너지 소비에 영향을 미치는 또 다른 주요 요인은 전도도입니다. 양극 OER에 필요한 과도한 수소를 줄이면 에너지 수요가 줄어들 수 있으며, 이는 전도도 값이 높을수록 전해질 용액에서 이온 농도가 높아진다는 사실에 반영됩니다. 그러나, 높은 전도도는 또한 막 열화의 가능성을 증가시키고 펌핑에 필요한 에너지를 증가시킨다. 수소의 생산은 전도도에 크게 의존하며, 여러 연구에 따르면 전도도를 증가시키기 위해 다른 용액을 사용함으로써 다른 전도도가 달성되어 수소 생산이 증가 할 수 있습니다.

4. PEM 전해저 에너지 소비에 대한 다양한 물질의 영향

해수, 우물 수 및 탈 이온수는 양성자 교환 막 (PEM) 전해저의 에너지 요구 사항에 영향을 줄 수있는 세 가지 유형의 물입니다. 해수에는 다량의 용해 된 염, 미네랄 및 기타 오염 물질이 들어 있습니다. 이러한 오염 물질은 물의 전도성을 증가시키기 때문에 전해저의 저항이 증가합니다. 저항을 극복하기 위해 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 전기 분해 공정이 느려집니다. 필요한 전류를 제공하기 위해서는 더 높은 전압이 필요하며, 이로 인해 에너지 사용이 전반적으로 증가합니다. 우물은 보통 해수보다 용해 된 염과 오염 물질에서 훨씬 낮습니다. 전기 분해를 방해 할 수있는 미네랄 및 기타 물질은 여전히 ​​존재할 수 있습니다. Well Water의 구성이 에너지 사용에 어떻게 영향을 미치는지 정확히 어느 정도 확실하지 않습니다. 잘 물을 처리하는 데 필요한 에너지는 일반적으로 해수 또는 탈 이온수를 처리하는 데 필요한 에너지보다 적습니다. 탈 이온수는 탈 이온화 과정을 통해 미네랄 이온이 제거 된 물이다. 그것은 또한 탈 이온수와 증류수라고도합니다. 탈 이온수는 해수와 물보다 전도도가 훨씬 낮습니다. 따라서 전기 분해 공정 동안 저항이 낮으며 동일한 전류를 생성하기 위해 에너지가 적습니다. PEM 전해질에서 탈 이온수를 사용하면 에너지 효율을 향상시킬 수 있습니다. 탈 이온수는 전도도가 좋지 않아 에너지를 절약 할 수 있지만 전해기의 전기 화학 반응에 필요한 이온을 포함하지 않습니다. PEM 전해기 시스템의 특정 설계 및 작동에 따라 수질 요구 사항을 신중하게 고려해야합니다.이 이온은 전해저 성분의 성능과 수명을 유지하는 데 중요하기 때문입니다.

요컨대, PEM Water Electrodery에서, 우리는 일반적으로 전해저 자체에 더 많은주의를 기울이고 BOP의 중요성을 무시합니다. 많은 사람들은 또한 PEM의 BOP가 알칼리성보다 간단하다고 생각합니다. 실제로 PEM은 알칼리성과 같은 큰 가스 ​​액체 분리 시스템이 필요하지 않지만 순수한 물의 품질을 관리하는 것이 매우 중요합니다. 순수한 물의 품질을 관리하면 효율적인 작동을 보장 할뿐만 아니라 서비스 수명을 높이는 데 도움이됩니다.