Sviluppo e applicazione della tecnologia di produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico in condizioni di fluttuazioni dell'energia eolica e solare II

Sviluppo e applicazione della tecnologia di produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico in condizioni di fluttuazioni dell'energia eolica e solare II

II. Caratteristiche di base della produzione di idrogeno Elettrolisi dell'acqua PEM sotto l'energia eolica e solare
Sotto la fluttuazione dell'energia eolica e solare, i parametri di funzionamento dell'elettrolizzatore subiscono cambiamenti transitori, che possono causare danni irreversibili ai componenti principali. Esplorando le caratteristiche prestazionali dell'elettrolisi dell'acqua PEM per la produzione di idrogeno sotto l'alimentazione fluttuante dell'energia eolica e solare, il meccanismo di attenuazione e i metodi di valutazione dei componenti dell'elettrolizzatore PEM sono di grande valore per la ricerca e lo sviluppo di tecnologie chiave per i componenti dell'elettrolizzatore PEM.

1. Le fluttuazioni dell'energia eolica e solare hanno un impatto significativo sulle celle elettrolitiche
Di solito, la tensione di ingresso della cella elettrolitica è controllata entro un certo intervallo; quando la potenza in ingresso della cella elettrolitica fluttua, la tensione della cella elettrolitica cambia leggermente, mentre la corrente fluttua in modo significativo. Quando il controllo della stabilizzazione della tensione viene adottato nelle applicazioni pratiche, una volta che la potenza in ingresso della cella elettrolitica cambia, la corrente oscillerà bruscamente, causando un brusco cambiamento nella velocità di reazione dell'elettrodo, facendo deviare la cella elettrolitica dalla condizione operativa stabile. A causa della sovratensione della reazione dell'elettrodo, la tensione in ingresso è significativamente superiore alla tensione teorica; sebbene la reazione di elettrolisi dell'acqua sia una reazione endotermica, il calore Joule generato dalle perdite ohmiche fa sì che la temperatura della cella elettrolitica aumenti gradualmente nel tempo anche in condizioni di alimentazione stabile. Dalle caratteristiche di funzionamento della cella elettrolitica in condizioni simulate di energia eolica, si può vedere che la temperatura cambia con la fluttuazione della generazione di energia in condizioni operative transitorie. Quando la temperatura della cella elettrolitica diminuisce, la velocità di reazione dell'elettrodo rallenta e l'efficienza diminuisce. L'aumento della potenza porta ad un aumento della temperatura e l'aumento della resa di ossigeno e idrogeno sulla superficie dell'elettrodo porta all'adesione di bolle alla superficie dell'elettrodo, aumentando così la resistenza al trasferimento ionico dello strato catalitico e riducendo l'area di reazione effettiva , generando così una maggiore sovratensione di reazione, con conseguente aumento della tensione della cella elettrolitica. L'adesione e il flusso di bolle portano anche a un'erogazione irregolare di elettrolita sulla superficie dell'elettrodo, causando una reazione irregolare e punti caldi locali sulla superficie dell'elettrodo.
Negli ultimi anni, il tema dell’impatto delle fluttuazioni dell’energia eolica e solare sull’attenuazione delle prestazioni o sull’invecchiamento delle celle elettrolitiche ha ricevuto molta attenzione da parte di studiosi nazionali e internazionali, ma alcune conclusioni sono diverse. Attraverso il test di durata di 500 ore della cella elettrolitica PEM, sono state chiarite le caratteristiche prestazionali della cella elettrolitica in diverse modalità operative e si è riscontrato che nella modalità operativa a ciclo veloce (simulando la generazione di energia fotovoltaica), quando la resistenza ohmica diminuisce , le prestazioni della cella elettrolitica sono state migliorate. Dopo il test di durata di 1000 ore della cella elettrolitica PEM, si è riscontrato che il tasso di attenuazione delle prestazioni della cella elettrolitica era di 194 μV/h e il 78% dell'attenuazione proveniva dall'aumento della resistenza ohmica della cella anodica porosa strato; l'attenuazione delle prestazioni della cella elettrolitica è stata significativamente alleviata nelle condizioni di alimentazione fluttuante eolica e solare, poiché l'alimentazione fluttuante eolica e solare ha parzialmente ripristinato il degrado reversibile e indebolito il problema del degrado dell'elettrodo. La stabilità a lungo termine delle prestazioni della cella elettrolitica con diverse caratteristiche di input e il suo meccanismo di attenuazione necessitano ancora di ulteriori studi.

2. Le fluttuazioni dell'energia eolica e solare accelerano il degrado dei componenti delle celle elettrolitiche
1). Strato catalitico
Lo strato catalitico della cella elettrolitica è generalmente composto da un catalizzatore (come metalli preziosi come Pt, RuO2, Ir, IrO2) e un legante (come acido perfluorosolfonico). Per aumentare la durabilità, lo strato catalitico viene solitamente caricato con alcuni materiali di supporto conduttivi, come TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. I catalizzatori di cui sopra possono soddisfare i requisiti di elevate prestazioni delle celle elettrolitiche PEM, ma la durata in condizioni operative difficili è difficile da soddisfare. Le prestazioni dell'anodo vengono degradate più seriamente in condizioni di basso carico del catalizzatore e i corrispondenti meccanismi di attenuazione includono principalmente la dissoluzione, l'agglomerazione e la passivazione del portatore. Dopo un test di durabilità di 5500 ore sulla cella elettrolitica PEM, si è riscontrato che la corrosione dello strato catalitico e il degrado del catalizzatore Pt erano i principali fattori che portavano al degrado delle prestazioni.
2). Membrana di scambio
Negli elettrolizzatori PEM tradizionali, la membrana di scambio viene utilizzata per separare i prodotti gassosi della reazione, trasportare protoni e supportare gli strati catalitici di catodo e anodo. Deve avere eccellente stabilità chimica, resistenza meccanica, stabilità termica, conduttività protonica e altre caratteristiche. Il degrado delle prestazioni della membrana scambiatrice è dovuto principalmente alla contaminazione della membrana o al degrado chimico. Dal punto di vista della sicurezza e dell’affidabilità, la durata della membrana è fondamentale per l’elettrolizzatore. Il danno alla membrana può causare la miscelazione diretta dell'idrogeno e dell'ossigeno generati. Il meccanismo di degradazione della membrana di scambio è principalmente suddiviso in tre tipologie: degradazione meccanica, degradazione termica e degradazione chimica/elettrochimica.
3). Piastra bipolare
La piastra bipolare è un componente multifunzionale della cella elettrolitica. Conduce efficacemente gli elettroni, fornisce canali per il trasporto dei reagenti/prodotti, mantiene la stabilità meccanica e l'integrità dell'apparecchiatura e funge da componente della gestione termica. Essendo il componente principale della cella elettrolitica, il costo rappresenta circa il 48% della cella elettrolitica PEM. La sua progettazione e produzione dovrebbero soddisfare i requisiti di elevata conduttività, resistenza alla corrosione, basso costo ed elevata resistenza meccanica. Tuttavia, i cambiamenti di tensione/corrente sotto l'alimentazione fluttuante dell'energia eolica e solare portano a cambiamenti irregolari o drastici nella temperatura della cella elettrolitica, con conseguente distribuzione non uniforme dello stress o cambiamenti ripetuti dello stress, con conseguente aumento della resistenza di contatto e sollecitazione delle prestazioni meccaniche , che in definitiva influisce sulla durata della cella elettrolitica.

3. Metodo di simulazione dell'alimentazione elettrica fluttuante eolica e solare
Lo sviluppo di test di decadimento accelerato, di valutazione della durata e di schemi di ricerca sulla durabilità per le celle elettrolitiche e i loro componenti aiuterà a valutare il comportamento di decadimento dei materiali e a comprendere meglio il meccanismo di decadimento dei materiali. La durabilità delle celle elettrolitiche PEM viene valutata principalmente mediante corrente costante in condizioni specifiche di temperatura e pressione. Il tempo del test di durata delle celle elettrolitiche è relativamente lungo (>4×104 h) e il corrispondente costo di valutazione della durabilità è relativamente alto. Al momento non esiste un metodo di valutazione della durabilità standardizzato e generalmente accettato per i componenti delle celle elettrolitiche PEM. Gli ambienti accademici e industriali in Europa sono da tempo impegnati nella caratterizzazione, test e valutazione delle prestazioni, dell'efficienza e della durata delle celle elettrolitiche e hanno accumulato una ricca esperienza. I lavori rappresentativi includono: utilizzo di metodi di stress test accelerati per valutare la stabilità chimica delle membrane nelle celle elettrolitiche PEM; studiare gli effetti delle diverse forme d'onda di ingresso dell'energia eolica e solare sulla degradazione delle celle elettrolitiche PEM e credere che gli alimentatori a onda quadra e a dente di sega accelerino significativamente la degradazione degli elettrodi; proponendo di simulare la modalità operativa di avvio e spegnimento delle celle elettrolitiche mediante corrente costante e tensione a circuito aperto e scoprendo che le condizioni di circuito aperto possono accelerare il decadimento delle prestazioni delle celle elettrolitiche. Si ritiene generalmente che l'attenuazione accelerata sia solitamente correlata alla densità di corrente, alla pressione e alla temperatura, ma mancano ancora metodi di test di attenuazione accelerata per celle elettrolitiche sotto fonti di energia fluttuanti eoliche e solari e relativi piani di implementazione standardizzati. I metodi di test in condizioni a fattore singolo sono difficili da valutare in modo completo le caratteristiche di attenuazione delle celle elettrolitiche sotto fonti di energia fluttuanti eoliche e solari.