PEM 물 전기 분해의 성능에 영향을 미치는 기능적 요인 분석

1. 온도가 펨 웨이 효율에 미치는 영향

전해 스택은 고온 조건에서 작동하여 고성능을 달성해야합니다. 작동 온도는 캐소드 및 애노드의 가역 전압, 옴 과잉 및 전하 전달 과도에 영향을 미쳐 PEM의 성능에 영향을 미칩니다 (아래 그림 1과 같이). 온도가 증가하면 음극 및 애노드 영역에서 옴 과전압, 가역 전압 및 활성화 과전압을 최소화 할 수 있습니다.

그림 1 : 0.8 A/CM2 및 0.2 MP 및 60 µ 층 폭에서의 펨오 세포 전압에 대한 온도의 영향

전극에서의 반응 속도는 온도가 증가함에 따라 증가하여 교환 전류 밀도가 증가하여 활성화가 과도하게 감소합니다. PEMWE 성능에 대한 온도의 영향을 조사하기위한 여러 연구가 수행되었습니다. 결과는 일반적으로 다음을 보여줍니다.

똑같이무엇조건, 온도의 증가는 전류 밀도의 변화를 야기하고, 이온 전도도의 증가는 PEMWE의 효율에 유의 한 긍정적 인 영향을 미칩니다. 온도의 증가는 활성화 전위를 감소시켜 효율의 지수 증가를 초래합니다. 293-373K의 온도 범위에서 PEM 효율에 대한 온도의 영향으로 작동 온도의 증가는 동일한 밀도를 얻는 데 필요한 에너지를 감소시켜 PEM의 효율을 향상시키는 데 도움이됩니다. 요컨대, 온도의 증가는 이온 전도도 및 전기 화학 활성을 향상시킨다. 또한, 결과는 더 높은 전류 밀도에서 온도의 영향이 매우 중요하다는 것을 보여준다 (아래 그림 2 참조).

그림 2 : 다른 작동 온도에서 PEM 물 전기 분해의 I-V 특성 곡선

그러나 전해질이 작동 온도가 100 ° C를 초과 할 때 증발하기 때문에 온도가 증가함에 따라 배터리 성능의 개선에 제한이 있습니다. 정상 압력에서, 물이 373k 이상의 온도에서 증발하기 때문에, 온도는 373k 이상으로 증가해서는 안되며, 전해질 층의 이온 전도도를 유지하기 위해 물 액화가 필요하다. 온도가 100 ° C 이상으로 증가하면 최소 액체 포화 및 물 부족 문제가 발생하여 가압 작업으로 피할 수 있습니다. 또한, 피되지 않은 물은 Pemwe의 재료와 성분을 분해 할 수 있으므로 Pemwe에서 사용하기 전에 물을 정제해야합니다. 온도가 증가하면 열 응력 하에서 막 재료의 분해가 가속화되어 시간이 지남에 따라 막이 얇아집니다. 또한, 전해저의 막과 다른 성분 사이의 열 팽창으로 인해, 온도가 증가하면 막에서 기계적 응력이 생겨 막 두께가 얇아집니다. 또한, 작동 조건이 엄격하게 제어되지 않으면, 온도의 증가는 막이 탈수로 발생하여 폴리머 구조가 확장 된 상태를 유지하기에 충분한 물없이 약간 붕괴되기 때문에 막의 두께를 감소시킨다.

또한, 온도가 감소함에 따라, 막을 통한 가스의 투과성은 감소하고 막 층을 통해 침투하는 수소의 양도 감소한다. 또한 일부 연구는 또한 최적의 작동 온도가Pem Electrolzer낮은 전류 밀도 하에서 주변 온도에 도달하기 위해 감소합니다.

1.2 음극 압력이 PEM 성능에 미치는 영향

캐소드가 더 높은 압력으로 작동되면, 고압이 막에서 반응물 및 생성물의 질량 전달 속도를 증가시킬 수 있기 때문에 수소 발생 속도가 증가합니다. 또한, 압력의 증가로 인해, 액체에서 가스 로의 위상 변화에 필요한 에너지가 감소되어 물의 증기-액체 평형을 변화시켜 에너지 효율을 향상시킬 수있다. 또한, 더 높은 압력에서, 수소 진화 반응에 필요한 과도한 수성도 감소하여 PEM 전해저 전기 분해 공정의 전압 효율을 향상시킬 것이다. 그러나, 캐소드 압력의 증가는 H+ 이온이 양극에서 음극으로 반대 방향으로 이동하여 과전압이 증가하고 전기 화학 반응을 느리게한다 (아래 그림 3 참조). 따라서 음극 압력의 증가는 Pemwe의 에너지 효율과 에너지 성능에 악영향을 줄 수 있습니다.

그림 3 : 다른 음극 압력에서 I-V 특성 곡선.

애노드 압력이 대기압으로 유지되면, PEMWE의 효율에 대한 캐소드 영역의 압력 변화의 영향에 대한 연구는 PEMWE의 효율이 압력이 증가함에 따라 감소 함을 보여줍니다. 고전류 밀도에서, 가역적 셀 전압의 증가에 대한 압력의 영향은 과전압 감소에 미치는 영향보다 더 명백하며, 필요한 셀 전압은 캐소드 압력이 증가함에 따라 증가한다. 또한 압력이 1000kPa에서 2000kPa로 증가하면 입력 전류도 증가합니다. 또한 PEM 성능에 대한 음극 압력의 영향을 분석하는 연구가 있으며, 결과는 4BAR에서 1BAR로 캐소드 압력을 줄이면PEM 전해저 4.8% 또한, 수소 압력의 증가는 패러데이 성능을 감소시킨다. 음극 압력을 증가 시키면 전기 분해 반응의 효율이 향상 될 수 있지만, 수소를 압축하는 데 필요한 에너지는 이러한 이점을 상쇄합니다. 안정성과 안전 측면에서 압력 증가는 시스템 구성 요소에 대한 기계적 응력을 증가시켜 내구성과 서비스 수명에 부정적인 영향을 미칩니다. 이로 인해보다 강력하고 내구성있는 재료와 구성 요소가 필요하기 때문에 자본 및 유지 보수 비용이 증가합니다. 또한, 수소 누출의 위험이 증가 하여이 위험을 관리하기 위해 강력한 안전 조치가 필요합니다.

3. 전류 밀도의 영향PEM 전기 분해수소 생산

전류 밀도는 시스템 효율, 수소 생성 속도 및 시스템 수명을 포함하여 전기 분해 공정의 여러 측면에 상당한 영향을 미칩니다. 전류 밀도의 증가는 전극 표면에서 발생하는 전기 화학 반응 속도의 증가로 이어져서PEM 전해저수소 생산 속도. 수소 침투는 전류 밀도의 긍정적 인 영향을받습니다. 전류 밀도의 증가는 스택 전압의 감소로 이어져 셀 성능을 향상시킵니다. 이는 전류 밀도의 증가가 전극의 동역학 반응을 증가시켜 전하 전달 저항이 감소하여 전해 세포 성능을 향상시키기 때문일 수있다.

대조적으로, 고전류 밀도는 다량의 가스를 생성하여 O2 응집을 유발하여 2 개의 상이한 위상 흐름 상태를 초래하고 양극 전극을 물로부터 보호한다. 생성 된 가스와 물의 질량 수송이 이러한 문제의 영향을받을 수 있다는 점은 언급 할 가치가 있습니다. Pemwe에서 생성 된 가스의 집계는 촉매 영역에서 생성 된 가스가 유량 채널의 가스 퍼지 용량을 초과 할 때 기포 막힘을 초래한다. 거품 막힘의 주요 원인은 채널의 단면과 물 유량 속도입니다. 결과는 높은 물 흐름이 기포에서 슬러그로의 전이가 지연되어 더 작은 기포와 슬러그가 줄어 듭니다. 에너지 효율의 관점에서, 양극 및 음극 과도 상수는 전류 밀도가 증가함에 따라 증가하므로, 이는 이상적인 속도로 전기 화학 반응을 구동하기 위해 추가 전압이 필요하여 에너지 효율을 감소시킨다는 것을 의미한다.

또한, 전극, 전해질 및 전기 커넥터의 저항으로 인해 전류 밀도의 증가는 또한 저장 손실의 증가로 이어지고 시스템의 전반적인 에너지 효율을 더욱 감소시킨다. 고전류 밀도는 Pemwe의 내구성과 서비스 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 고전 된 전류 밀도는 전극의 분해를 가속화시킨다. 고전류 밀도에서, 이온 플럭스가 높고 작동 온도가 높을수록 막에 강조하여 빠른 분해가 발생할 수 있습니다. 고전류 밀도로 Pemwe를 작동 할 때 효율성, 출력 및 수명 간의 균형을 고려해야합니다. 최신 Pemwes는 실시간 데이터를 기반으로 전류 밀도를 최적화하여 수명, 출력 및 효율성의 균형을 맞추는 고급 제어 시스템을 사용합니다.