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PEM高压电解槽基本原理及应用
高压PEM电解槽基本概念
高压PEM电解槽是一种利用质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)技术的电解水制氢反应装置。我们常用的PEM常压电解槽是以0.5-1.6MPa低压力电解,在反应过程中电解槽内部的压力基本不变,通过电解液中的电荷转移并完成反应。而PEM高压电解槽通过电解水产生氢气和氧气,工作时能在较高的压力下运行,槽内压力施压到3-5Mpa,利用化学能产能压差,使电解液中的离子更容易与电极接触,提高反应效率,从而大幅提高电解效率,缩短测试时间,降低整体能耗和成本。这种电解槽的核心部件包括质子交换膜、阴阳极催化层、扩散层和双极板等。
工作原理及设计验证
PEM高压电解槽的工作原理同样是基于水的电解过程,涉及在电解槽的阳极和阴极上分别发生氧化和还原反应。在阳极,水分子在电场的作用下发生氧化反应,生成氧气和质子。质子通过质子交换膜移动到阴极,在阴极获得电子并还原成氢气。
在结构设计上,PEM高压电解槽在研发制造之前须开展充分的建模仿真验证,对槽内流场结构设计、承压及密封均进行充分的仿真模拟实验,达成阴极和阳极气压能够达到≥4MPa的模拟实验标准后,再进行实物验证。此外,电解槽整体的耐高压密封设计,比如密封圈、极框器件,以及对抗内部高压膨胀力的电解槽紧固设计,也是达成高压PEM电解槽可以在高于标准大气压的条件下安全、稳定运行的关键。
技术优势
高电流密度:PEM电解槽可以在高电流密度下运行,通常在10000 A/m²以上,这有助于提高氢气产量。
高氢气纯度:由于质子交换膜的低气体渗透率,产生的氢气纯度非常高,通常在99.99%左右。
快速响应:PEM电解槽具有快速启动和停止的能力,并能够快速响应功率调节,这使得它们能够适应可再生能源(如风能和太阳能)的波动性。
高压运行:PEM电解槽可以在较高的压力下运行,加速反应效率,缩短了反应时间。
紧凑结构:由于使用固态电解质和高电流密度,PEM电解槽的体积相对较小,便于集成和部署。
环境适应性强:PEM电解槽能够更好地适应可再生能源的波动性,实现更好的耦合匹配。
市场应用
通过小型高压电解槽的实验验证,未来扩展到商用大型制氢需求场景。对氢气和/或氧气进行加压,可以消除或至少减少对外部气体压缩机的需求。此时,仅需压缩系统压力下的液态水,这所需的功率远低于将产气压缩到所需压力的功率。因此,许多制造商将开发高压电解系统作为重点,以进一步提高整体效率。