تطوير وتطبيق تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات في ظل تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية II
ثانيا. الخصائص الأساسية لإنتاج الهيدروجين التحليل الكهربائي للمياه PEM تحت الرياح والطاقة الشمسية إمدادات الطاقة المتقلبة
في ظل تقلب إمدادات الطاقة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، تخضع معلمات عمل المحلل الكهربائي لتغييرات عابرة، والتي يمكن أن تسبب ضررًا لا رجعة فيه للمكونات الرئيسية. استكشاف خصائص أداء التحليل الكهربائي للمياه PEM لإنتاج الهيدروجين في ظل إمدادات الطاقة المتقلبة لطاقة الرياح والطاقة الشمسية، فإن آلية التوهين وطرق تقييم مكونات المحلل الكهربائي PEM لها قيمة كبيرة للبحث وتطوير التقنيات الرئيسية لمكونات المحلل الكهربائي PEM.
1. لتقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية تأثير كبير على الخلايا الإلكتروليتية
عادةً، يتم التحكم في جهد الدخل للخلية الإلكتروليتية ضمن نطاق معين؛ عندما تتقلب طاقة الإدخال للخلية الإلكتروليتية، يتغير جهد الخلية الإلكتروليتية قليلاً، بينما يتقلب التيار بشكل كبير. عندما يتم اعتماد التحكم في استقرار الجهد في التطبيقات العملية، بمجرد تغير طاقة الإدخال للخلية الإلكتروليتية، سوف يتقلب التيار بشكل حاد، مما سيؤدي إلى تغيير حاد في معدل تفاعل القطب، مما يتسبب في انحراف الخلية الإلكتروليتية عن حالة التشغيل المستقرة. نظرًا لوجود جهد زائد لتفاعل القطب، يكون دخل الجهد أعلى بكثير من الجهد النظري؛ على الرغم من أن تفاعل التحليل الكهربائي للماء هو تفاعل ماص للحرارة، إلا أن حرارة الجول الناتجة عن فقدان أومية تتسبب في زيادة درجة حرارة الخلية التحليلية تدريجيًا بمرور الوقت حتى في ظل ظروف إمدادات الطاقة المستقرة. من خصائص عمل الخلية الإلكتروليتية في ظل ظروف طاقة الرياح المحاكاة، يمكن ملاحظة أن درجة الحرارة تتغير مع تقلب توليد الطاقة في ظل ظروف التشغيل العابرة. بعد انخفاض درجة حرارة الخلية الإلكتروليتية، يتباطأ معدل تفاعل القطب وتقل الكفاءة. زيادة الطاقة تؤدي إلى زيادة درجة الحرارة، كما أن زيادة إنتاج الأوكسجين والهيدروجين على سطح القطب يؤدي إلى التصاق الفقاعات بسطح القطب، وبالتالي زيادة مقاومة انتقال الأيونات لطبقة المحفز وتقليل مساحة التفاعل الفعال ، وبالتالي توليد رد فعل زائد الجهد، مما أدى إلى زيادة في الجهد من الخلية كهربائيا. يؤدي ارتباط الفقاعات وتدفقها أيضًا إلى إمداد غير متساوٍ من الإلكتروليت على سطح القطب، مما يتسبب في تفاعل غير متساوٍ وبقع ساخنة محلية على سطح القطب.
في السنوات الأخيرة، حظي موضوع تأثير تقلب إمدادات طاقة الرياح والطاقة الشمسية على توهين أداء أو شيخوخة الخلايا الإلكتروليتية باهتمام كبير من العلماء في الداخل والخارج، ولكن بعض الاستنتاجات مختلفة. من خلال اختبار متانة خلية التحليل الكهربائي PEM لمدة 500 ساعة، تم توضيح خصائص أداء الخلية التحليلية تحت أوضاع التشغيل المختلفة، وتبين أنه في وضع التشغيل بالدورة السريعة (محاكاة توليد الطاقة الكهروضوئية)، حيث انخفضت المقاومة الأومية ، تم تحسين أداء الخلية الالكتروليتية. بعد اختبار المتانة لمدة 1000 ساعة للخلية الإلكتروليتية PEM، وجد أن معدل توهين أداء الخلية الإلكتروليتية كان 194 ميكروفولت/ساعة، وأن 78% من التوهين جاء من الزيادة في المقاومة الأومية للأنود المسامي. طبقة؛ تم تخفيف توهين أداء الخلية كهربائيا بشكل كبير في ظل ظروف إمدادات الطاقة المتقلبة من الرياح والطاقة الشمسية، لأن إمدادات الطاقة المتقلبة من الرياح والطاقة الشمسية أعادت جزئيا التدهور القابل للعكس وأضعفت مشكلة تدهور القطب. لا يزال الاستقرار طويل المدى لأداء الخلية التحليلية تحت خصائص الإدخال المختلفة وآلية التوهين الخاصة بها بحاجة إلى مزيد من الدراسة.
2. تعمل تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية على تسريع تدهور مكونات الخلايا الإلكتروليتية
1). الطبقة الحفزية
تتكون الطبقة الحفزية للخلية الإلكتروليتية عمومًا من محفز (مثل المعادن الثمينة مثل Pt وRuO2 وIr وIrO2) ومادة رابطة (مثل حمض البيرفلوروسلفونيك). من أجل تعزيز المتانة، يتم تحميل الطبقة الحفزية عادةً ببعض المواد الحاملة الموصلة، مثل TiO2، SnO2، Ta2O5، Nb2O5، Sb2O5، TaC، TiC. يمكن للمحفزات المذكورة أعلاه تلبية متطلبات الأداء العالي لخلايا التحليل الكهربائي PEM، لكن المتانة في ظل ظروف التشغيل القاسية من الصعب أن تكون مرضية. يتدهور أداء الأنود بشكل أكثر خطورة في ظل ظروف تحميل المحفز المنخفضة، وتشمل آليات التوهين المقابلة بشكل أساسي الذوبان والتكتل وتخميل الناقل. بعد اختبار المتانة لمدة 5500 ساعة على خلية التحليل الكهربائي PEM، وجد أن تآكل الطبقة الحفزية وتدهور محفز Pt كانا من العوامل الرئيسية التي أدت إلى تدهور الأداء.
2). غشاء التبادل
في المحلل الكهربائي التقليدي PEM، يتم استخدام غشاء التبادل لفصل منتجات التفاعل الغازي، ونقل البروتونات، ودعم طبقات المحفز الكاثود والأنود. يجب أن يكون لديه استقرار كيميائي ممتاز، وقوة ميكانيكية، وثبات حراري، وموصلية بروتونية وخصائص أخرى. يرجع تدهور أداء غشاء التبادل بشكل أساسي إلى تلوث الغشاء أو التحلل الكيميائي. من منظور السلامة والموثوقية، تعتبر متانة الغشاء أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للمحلل الكهربائي. قد يؤدي تلف الغشاء إلى اختلاط الهيدروجين والأكسجين مباشرة. تنقسم آلية تحلل غشاء التبادل بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع: التحلل الميكانيكي، والتحلل الحراري، والتحلل الكيميائي/الكهروكيميائي.
3). لوحة ثنائية القطب
تعد اللوحة ثنائية القطب مكونًا متعدد الوظائف للخلية الإلكتروليتية. إنه يقوم بتوصيل الإلكترونات بشكل فعال، ويوفر قنوات لنقل المواد المتفاعلة/المنتج، ويحافظ على الاستقرار الميكانيكي وسلامة المعدات، ويعمل كعنصر من عناصر الإدارة الحرارية. وباعتبارها المكون الرئيسي للخلية الإلكتروليتية، فإن التكلفة تمثل حوالي 48% من خلية التحليل الإلكتروليتي PEM. يجب أن يلبي تصميمها وتصنيعها متطلبات الموصلية العالية، ومقاومة التآكل، والتكلفة المنخفضة، والقوة الميكانيكية العالية. ومع ذلك، فإن تغيرات الجهد/التيار في ظل تقلب إمدادات الطاقة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية تؤدي إلى تغيرات غير متساوية أو جذرية في درجة حرارة الخلية الإلكتروليتية، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوي للضغط أو تغيرات إجهاد متكررة، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة التلامس وإجهاد الأداء الميكانيكي. مما يؤثر في النهاية على متانة الخلية التحليلية.
3. طريقة محاكاة إمدادات طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة
سيساعد تطوير اختبار التحلل المتسارع وتقييم الحياة وخطط أبحاث المتانة للخلايا الإلكتروليتية ومكوناتها في تقييم سلوك تحلل المواد وفهم آلية تحلل المواد بشكل أفضل. يتم تقييم متانة خلايا التحليل الكهربائي PEM بشكل أساسي من خلال التيار الثابت في ظل ظروف درجة حرارة وضغط محددة. وقت اختبار الحياة للخلايا التحليلية طويل نسبيًا (> 4 × 104 ساعة)، وتكلفة تقييم المتانة المقابلة مرتفعة نسبيًا. في الوقت الحاضر، لا توجد طريقة موحدة ومقبولة عمومًا لتقييم المتانة لمكونات خلية التحليل الكهربائي PEM. لقد التزمت الدوائر الأكاديمية والصناعية في أوروبا منذ فترة طويلة بتوصيف واختبار وتقييم أداء وكفاءة ومتانة الخلايا التحليلية، وقد اكتسبت خبرة غنية. تشمل الأعمال التمثيلية ما يلي: استخدام طرق اختبار الإجهاد المتسارعة لتقييم الاستقرار الكيميائي للأغشية في خلايا التحليل الكهربائي PEM؛ دراسة تأثيرات الأشكال الموجية المتقلبة لإدخال طاقة الرياح والطاقة الشمسية على تدهور خلايا التحليل الكهربائي PEM، والاعتقاد بأن إمدادات طاقة الموجة المربعة والموجة المسننة تعمل على تسريع تدهور القطب بشكل كبير؛ يقترح محاكاة وضع التشغيل والإيقاف للخلايا الإلكتروليتية عن طريق التيار المستمر وجهد الدائرة المفتوحة، ويجد أن ظروف الدائرة المفتوحة يمكن أن تسرع من تدهور أداء الخلايا الإلكتروليتية. من المعتقد عمومًا أن التوهين المتسارع يرتبط عادةً بكثافة التيار والضغط ودرجة الحرارة، ولكن لا يزال هناك نقص في طرق اختبار التوهين المتسارع للخلايا الإلكتروليتية تحت مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة وخطط التنفيذ الموحدة ذات الصلة. من الصعب أن تقوم طرق الاختبار في ظل ظروف عامل واحد بإجراء تقييم شامل لخصائص التوهين للخلايا الإلكتروليتية تحت مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة.