알칼리성 물 전기 분해 막의 수소 투과성 및 교차

수소 투과성이라는 용어는 구체적으로 확산 및 대류 메커니즘에 의해 막을 통한 수소의 투과를 지칭한다. 확산은 농도 또는 압력 차이에 의해 구동되는 반면, 대류는 양극과 음극 사이의 수압 구배에 의해 구동된다.

수소 투과성은 영향을 미치는 주요 요인입니다알칼리 전해저수소 생산

▪ 투과체의 플럭스는 일반적으로 단위 시간당 단위 면적당 알칼리성 막을 통한 부피 유량, CM³/cm² · s로 정의됩니다. 가스 부피는 압력 및 온도에 따라 변하기 때문에 어금니 플럭스 (mol/cm² · s)는 사용에 더 실용적입니다.

▪ 수소 투과성 계수 또는 단순히 투과성은 단위 구동력 당 막을 통한 투과의 플럭스 및 단위 막 두께입니다. 구동력은 막 두께 (Bar/cm)에 걸친 압력 차이이므로 수소 투과성의 단위는 mol · cm-1 · S-1 · Bar-1입니다.

수소 크로스 오버는 용해 된 수소 및 용해 된 수산화 이온과 같은 가능한 모든 수송 메커니즘 (확산, 대류 및 전기성 저항성 포함)에 의해 구동되는 막을 통한 수소의 전체 투과를 지칭하는 실용적인 용어입니다.

수소 크로스 오버는 일반적으로 등가 전류 밀도 (IH2Crossover, MA/CM²)로 표현되며, 이는 수소 및 산소의 생산 속도와 동일한 단위를 갖는다.알칼리 전해저.

H2 크로스 오버 전류 밀도는 주로 압력 차이에 의존하기 때문에 H2 함량은전해저부분로드에서 작동합니다.

산업 알칼리성의 부분 하중 작동을위한 허용 범위물 전해질일반적으로 정격 하중의 10-40%입니다. 아래 그림은 태양 에너지로 구동되는 알칼리 전해저의 1 일 동안 전류 밀도와 가스 순도 사이의 관계를 보여줍니다.

대기압 및 80 ℃에서, H2/O2 혼합물의 더 낮은 폭발 한계 (LEL) 및 상한 폭발 한계 (UEL)는 각각 3.8 mol% 및 95.4 mol% H2이다. 기체 불순물 (수소 및 산소 크로스 오버)은 주로 투과 경로에 기인하며, 이는 두 가지 경로, 즉 확산 및 대류 질량 전달 메커니즘으로 나눌 수 있습니다.

1 일 태양 전기 분해 작업에서 전류 밀도의 함수로서의 가스 투과 (1993 년 6 월 24 일) 10kw알칼리 전해저: 알칼리성 막으로서 폴리 설폰 기반 막을 갖는 20 세포 (세포).

대류 질량 전달은 전해기와 BOP 전체의 포화 전해질의 순환으로 인해 발생합니다. 액체 및 가스 상을 분리 한 후, 사용 된 카톨 톨리 테는 H2로 포화 상태로 유지되는 반면, 소비 된 anolyte는 O2로 포화된다.

전극 반응에 의해 야기 된 알칼리 전해질 농도의 차이를 보상하기 위해, 가스-포화 전해질을 혼합 한 다음 균일하게 다시 캐소드 및 양극으로 펌핑한다. 이러한 연속 사이클은 H2 및 O2로 전해질의 전체 포화를 초래하여 대류 질량 전달에 의한 가스 혼합을 불가피하게 만듭니다. 알칼리 전해질 순환의 특정 패턴은 대류 질량 전달에 의해 가스 혼합을 부분적으로 제어 할 수있다.

확산 질량 전달 메커니즘은 음극과 양극 사이의 압력 차이에 의해 구동되는 다공성 막을 통한 가스-포화 알칼리 전해질의 수송이다.

막 두께 D (CM)에 걸친 절대 압력 차이 (BAR)에 의해 야기 된 몰수 수소 투과 유동 밀도 (MOL · S-1 · CM-2)는 다음과 같은 방정식에 의해 발현 될 수있다.

H2 가스 투과율(mol · s-1 · cm-2 · bar-1) 압력 차이에 의해 구동되는 것은 다음과 같이 정의됩니다.

K는 전해질 투과성 (CM²)을 나타내며, 이는 주로 막의 평균 기공 크기에 의해 결정됩니다. η는 전해질 점도 (bar · s)이고, Sh2는 전해질에서 H2 가스의 용해도 (mol · m-3 · bar-1)입니다. 캐소드 측 (BAR)의 H2 부분 압력입니다.

이들 방정식은 확산 질량 전달이 주로 막 특성, 전해질 투과성 (k) 및 분리기 두께 d에 의해 영향을 받는다는 것을 보여준다. Zirfon UTP 500 시리즈의 평균 기공 크기는 150nm이며, 이는 가스-포화 전해질이 막을 관통 할 수있게하여 이상적인 가스 투과성보다 적을 것으로 예상된다. 기공 크기가 작은 다이어프램의 개발은 확산 질량 전달을 줄일 수 있습니다.

작동 압력이 증가함에 따라, 다이어프램을 통한 가스-포화 전해질의 수송도 전해질에서의 절대 압력 차이와 H2 가스의 용해도가 증가하기 때문에 증가한다. 따라서, 가압 된 알칼리성 시스템의 부분 하중 범위 (40%-100%)는 저압 시스템 (20%-100%)의 것보다 좁습니다.

요약:

수소 교차 : 주로 전해기의 수소 생산 효율 및 에너지 효율에 영향을 미칩니다. 심한 수소 교차로는 수소 출력을 감소시키고 에너지 소비를 증가시킵니다.

수소 투과성 : 전해기의 수소 생산 및 안전에 직접 영향을 미칩니다. 높은 투과성은 수소 폐기물, 수소 생산 효율을 낮추고 시간이 지남에 따라 막의 잠재적 손상을 초래합니다.