Повышение эффективности и стабильности щелочных электролизеров, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Инженерия связи, том 2, Номер статьи: 22 (2023) Цитировать эту статью

2356 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Недорогой щелочной электролиз воды из возобновляемых источников энергии (ВИЭ) подходит для крупномасштабного производства водорода. Однако колебания ВИЭ приводят к плохой работе щелочных электролизеров воды (AWE) при низких нагрузках. Здесь мы исследуем две актуальные проблемы производительности: неэффективность и непоследовательность. Путем детального анализа процесса работы АРМ и установленной эквивалентной электрической модели мы выявляем механизмы неэффективности и противоречивости АРМ малой нагрузки, связанные с физической структурой и электрическими характеристиками. Кроме того, мы предлагаем многорежимную стратегию электролизного преобразования с самооптимизацией для повышения эффективности и согласованности AWE. В частности, по сравнению с обычным источником питания постоянного тока мы демонстрируем с использованием лабораторного и крупномасштабного коммерчески доступного AWE, что максимальный КПД может быть удвоен, а рабочий диапазон электролизера может быть расширен с 30–100% до 10– 100% номинальной нагрузки. Наш метод можно легко обобщить и облегчить производство водорода из ВИЭ.

В настоящее время водороду уделяется большое внимание из-за выраженных экологических и климатических проблем, вызванных углеродоемкими ископаемыми источниками энергии1,2. Благодаря своим чистым, универсальным и легким свойствам водород считается наиболее многообещающим решением, которое может помочь снизить выбросы углекислого газа в транспорте3, металлургии4, химической промышленности5 и других отраслях6. В результате спрос на водород растет в геометрической прогрессии, достигнув 70 миллионов тонн в 2018 году и, как ожидается, достигнет 545 миллионов тонн в год в 2050 году. много энергии и приводит к тому, что глобальные выбросы CO2 достигают более 830 миллионов тонн в год7. Для устойчивого развития производство водорода должно быть эффективным и экологически чистым. Поэтому технология производства водорода путем электролиза воды с использованием избыточной фотоэлектрической энергии, энергии ветра и других возобновляемых источников энергии, а именно зеленого водорода, стала горячей темой исследований8,9.

В настоящее время существует три электролитических водородных метода: твердооксидные электролизеры (SOE), электролизеры с протонообменной мембраной (PEM) и AWE. SOE представляют собой передовую концепцию, позволяющую осуществлять электролиз воды или пара при высоких температурах (600–900 °C)10, эффективность которого выше, чем у электролизеров PEM и AWE. Что касается практического применения, то СОЭ сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с термической стабильностью материалов, газовой смеси и проблемами герметизации. Таким образом, госпредприятия все еще находятся на стадии НИОКР. По сравнению с ГП, электролизеры PEM и AWE коммерчески доступны. Электролизеры PEM более эффективны и обеспечивают более высокую плотность тока, чем AWE. Одним из очевидных недостатков электролизеров PEM является высокая капитальная стоимость их кислотоустойчивых компонентов, таких как мембрана Nafion, титановые биполярные пластины и новые металлические катализаторы PT/C и IrO211. Кроме того, их более короткий срок службы, чем у AWE, также препятствует их применению в крупномасштабных сценариях преобразования электроэнергии в газ12. Напротив, AWE — это относительно зрелая технология, которая разрабатывалась более 100 лет. Для коммерческих AWE электрокатализаторы с высоким содержанием земли достаточно стабильны, чтобы запускать обе полуреакции, срок службы которых может достигать 15 лет. Следовательно, AWE очень подходят для крупномасштабных проектов по производству электролитического водорода13,14.

Хотя на практике существуют проекты с AWE до 6 МВт15, эксплуатационная гибкость AWE все еще нуждается в улучшении, особенно когда они питаются от ВИЭ с широким диапазоном колебаний. Одной из широко вызывающих обеспокоенность проблем является проблема примесей, поскольку AWE с низкой нагрузкой (обычно 25–45% от номинальной нагрузки) потенциально может привести к переходу газа между катодом и анодом. Эта примесь приведет к образованию горючей газовой смеси16, особенно для анода, где 2 об.% H2 в O2 соответствуют примерно 50% нижнего предела взрываемости. Поэтому, когда подаваемые ВИЭ, такие как фотоэлектрическая энергия, часто колеблются в широком диапазоне, время запуска и остановки AWE, очевидно, увеличивается для обеспечения безопасности системы. Эти частые старты и остановки оказывают большое влияние на стабильность и качество электроэнергии электроэнергетической системы17,18; в то же время ВИЭ не могут быть потреблены полностью из-за сокращения АРМ при низкой нагрузке. Кроме того, длительное отключение приведет к появлению обратных токов в АВЭ19,20,21, что отрицательно скажется на долговечности электродов. Созданы устойчивая и динамическая модели примесей газа, вызванных пересечением газа, с учетом нескольких факторов влияния. Подводя итог, проблема газовых примесей вызвана двумя причинами: переходом через диафрагму в результате диффузии газа22,23 и переходом из-за смешивания циркулирующего электролита24,25. Для повышения чистоты газа для AWE с малой нагрузкой также предлагается несколько стратегий. Анионообменная мембрана26,27 и другие новые конструкции диафрагмы разработаны для предотвращения прохождения газа через диафрагму за счет диффузии газа. Основываясь на той же цели, Qi et al. предложить стратегию контроля давления для расширения диапазона нагрузок AWE28. С другой стороны, Шуг адаптивно регулирует скорость циркуляции электролита, чтобы уменьшить переход за счет смешивания циркулирующего электролита29. Чтобы полностью решить проблему примесей газа, разработана новая система щелочного электролиза30, которая разделяет выделение водорода и кислорода. Но ее надежность нуждается в дальнейшей проверке.

15 A), there is an obvious linear relationship between the voltage and current, but with different slopes, the low-load equivalent resistance is much larger than the high-load equivalent resistance. That is, the system parameters or states are changed. (3) In the whole range, the relationship between the electrolytic voltage and electrolytic current does not meet the typical electrolysis hydrogen model presented in refs. 14,33,34./p> the reserve voltage 4.92 V. c 9 V > the reserve voltage 4.92 V. d 15 V > the reserve voltage 4.92 V./p>the reserve voltage of one cell \({U}_{o}\)(namely 1.23 V), the OER occurs on the solid–liquid interfaces of the positive electrode, and the HER occurs on the solid–liquid interfaces of the negative electrode. The hydroxide ions pass through the electrolyte channel and partial cell spaces, as shown in Fig. 4a, then the electrolytic current is generated, which is called the start-up current in this paper. This can explain the experimental results shown in Fig. 3a./p> N\cdot{U}_{o}\) does not mean that \({U}_{{IF}}\, > \,{U}_{o}\). That is, when \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) or \(I\) is very large, the middle plates produce electrolytic reactions. This can explain the experimental results shown in Fig. 3b,d./p> the reserve voltage 4.92 V./p> the reserve voltage 4.92 V./p>10 kHz) have been reported. However, since the natural mechanisms are not analyzed effectively, the related results about high-frequency pulse electrolysis are confused and cannot be unified38. In ref. 39,40,41,42, the magnitude or mean value of pulse voltages equal to the magnitude of dc voltages, it is concluded that high-frequency pulse can enhance the system efficiency from three possible aspects, namely, reactant concentration, bubble detachment, and electrical double layer. However, for the pulse power supply and dc power supply, the same magnitude or mean value of voltages does not mean the same electric power. Indeed, from the view of energy, high-frequency pulse electrolysis will introduce lots of voltage or current harmonics, which will not produce hydrogen and cause obvious efficiency loss43,44,45. For the proposed MMSOEC strategy, the motivation is totally different from that of ref. 39,40,41,42. The fundamental motivation is based on the macroscopic equivalent circuit; the choice of pulse parameters is well-founded and is greatly different from that of refs. 39,40,41,42./p>