O banco de teste de hidroeletrólise é um equipamento experimental dedicado para pesquisar, verificar e otimizar o processo de hidroeletrólise (incluindo a hidroeletrólise alcalina, a hidroeletrólise de membrana de troca de prótons e outras tecnologias), cujo princípio de funcionamento básico é baseado na natureza eletroquímica da água eletrólise e alcança o controle preciso do processo de eletrólise, monitoramento de parâmetros e avaliação de desempenho através da integração de vários módulos funcionais. Os seguintes detalhes são apresentados em três aspectos: princípios básicos, componentes críticos do sistema e fluxo de trabalho:
Principios básicos: Reações eletroquímicas da água eletrólita
A essência da eletrólise hidráulica é a reação de redução e oxidação das moléculas de água (H₂O) sob a alimentação externa de corrente contínua nos pólos yin e yang da piscina de eletrólise, decompondo-as em hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂), a fórmula de reação é a seguinte:
Reação catódica (reação de redução): as moléculas de água obtêm elétrons, gerando íons de hidrogênio e hidrogênio (condições alcalinas) ou íons de hidrogênio (condições de membrana de troca ácido / protão).
Condições alcalinas: 2H₂O+2e 2H2^+2OH^
Condições da membrana de troca de prótons (PEM): 2H CondiCondições da membrana de troca de prótons (PEM): 2H CondiCondiCondições da membrana de troca de prótons (PEM): 2H CondiCondições Condições da membrana de troca de prótons (PEM): 2H Condições da separação da água do ánodo e migração do H Condições H produzido ánodo através da membrana
Reação de ánodo (reação de oxidação): as moléculas de água perdem eletrões para gerar íons de oxigênio e hidrogênio (ou reagir com OH− para gerar água).
Condições alcalinas: 4OH-4e- →O₂↑+2H₂O
Condições PEM: 2H2O-4e 2H2^+4H
A reação acima precisa superar a barreira de energia de decomposição das moléculas de água, portanto, a mesa de teste precisa fornecer uma tensão elétrica suficiente através da fonte de energia constante de corrente contínua regulada (a tensão de decomposição teórica é de 1,23V, a perda real devido à polarização, resistência, etc., a tensão de trabalho é geralmente de 1,5 ~ 2,5V), ao mesmo tempo que reduz a energia de ativação da reação e melhora a eficiência da eletrólise através de materiais de eletrodos (como platina, níquel, óxido de íridio do ánodo, etc.).
Composição e funções críticas do sistema
O banco de teste de eletrólise hidráulica não é um único dispositivo, mas é composto por módulos de piscina de eletrólise, módulos de fornecimento de energia, módulos de controle de fluidos, módulos de monitoramento de parâmetros e sistemas auxiliares, cada módulo realiza a controlabilidade e medibilidade do processo de eletrólise em conjunto.
Módulo de piscina de eletrólise (recipiente de reação central)
A piscina de eletrólise é o núcleo da ocorrência da reação e sua estrutura é projetada de acordo com as necessidades de teste (como rotas técnicas de eletrólise alcalina, PEM, óxido sólido e água), incluindo principalmente:
Yin / ánodo: uso de materiais alvo experimentais (por exemplo, um novo tipo de eletrodo revestido de catalisador) para fornecer o local de reação;
Diafragma/eletrólito: separa o gás do ánodo 阴no (evitando a explosão da mistura de H2 e O2) e conduz os íons ao mesmo tempo (por exemplo, a diafragma de amianto na piscina de eletrólito alcalino conduz OH-, a membrana de troca de prótons na piscina de eletrólito PEM conduz H+);
Canal: projetar canales independentes para água, hidrogênio e oxigênio para garantir a distribuição uniforme do fluido.
Módulo de alimentação (fonte de energia para impulsionar a reação)
Geralmente uma fonte de energia de alta precisão de corrente contínua, pode realizar "tensão constante" e "corrente constante" dois modos de saída:
Modo de tensão constante: tensão eletrólita fixa, monitoramento de mudanças de corrente (refletindo a taxa de resposta, atividade do eletrodo);
Modo de corrente constante: corrente eletrólica fixa, monitoramento de mudanças de tensão (refletindo a resistência do sistema, grau de polarização).
Alguns bancos de teste de alta gama também oferecem suporte a modelos de teste eletroquímico, como "scan-volt-ampere linear" e "corrente/potencial temporizado", para analisar as propriedades dinâmicas dos eletrodos.
Módulo de controle de fluido (para garantir o fornecimento estável da reação)
Responsável pelo fornecimento de água deionizada estável (solução de eletrólito) para a piscina de eletrólise e pelo controle dos parâmetros do fluido:
Sistema de entrada de água: transporte de água deionizada por bomba periférica de precisão ou bomba de piston (pureza de até 18MΩ · cm ou mais, para evitar impurezas que afetem o desempenho do eletrodo), o fluxo pode ser ajustado com precisão (geralmente 0,1 ~ 10mL / min);
Sistema de escape e separação: após a separação da mistura de gás e líquido gerada pela eletrólise através de um separador de gás e líquido, o gás (H₂, O₂) é eliminado através de tubulações independentes para refluxo ou reciclagem do líquido;
Controle de temperatura: através do aquecimento, banho de água circular termostático envolvendo a piscina de eletrólise, controlar a temperatura da reação na faixa de configuração (por exemplo, 25 ~ 80 ° C), estudar o efeito da temperatura na eficiência da eletrólise.
Módulo de monitoramento de parâmetros (núcleo da avaliação do desempenho)
Captura em tempo real de parâmetros-chave no processo de eletrólise para o cálculo de eficiência de eletrólise, consumo de energia e outros indicadores de desempenho. Os principais parâmetros de monitoramento incluem:
Parâmetros eletroquímicos: monitoramento de tensão eletrólita, corrente e impedância (teste EIS) através de sensores próprios ou estações de trabalho eletroquímicas externas;
Parâmetros do gás: medição da produtividade de H2 e O₂ através de um medidor de fluxo de gás (por exemplo, um medidor de fluxo de massa), análise da pureza do gás através de cromatografia de gás (detecção de quantidades de O₂ ou H₂);
Parâmetros de fluido e ambiente: monitorar a temperatura da piscina de eletrólise, a pressão do sistema por meio de sensores de temperatura, sensores de pressão e monitorar a pureza da água de entrada por meio de condutividade elétrica.
3 – Fluxo de trabalho típico
Tome o banco de teste de eletrólise hidrográfica PEM como exemplo, o fluxo de trabalho padrão é o seguinte:
Fase de preparação: injetar água deionizada no tanque de água, verificar a vedação da piscina de eletrólito, o estado de conexão do eletrodo, definir a temperatura alvo, o fluxo de água de entrada;
Iniciação e estabilidade: abrir o sistema termostato, depois que a temperatura da piscina elétrica atingir o padrão, iniciar a bomba de entrada para a água da piscina elétrica; Abra a fonte de alimentação DC para o sistema de pré-aquecimento de baixa corrente / tensão por 5 a 10 minutos, excluindo as bolhas dentro do canal;
Eletrólise e monitoramento: muda para o modo de trabalho objetivo (por exemplo, corrente constante) para registrar em tempo real a tensão, a produção de gás, a temperatura e outros parâmetros; Para estudar o desempenho do eletrodo, uma estação de trabalho eletroquímica pode ser iniciada para varredura linear ou teste de impedância;
Processamento de dados: cálculo de indicadores principais com base nos dados de monitoramento, tais como "eficiência eletrólica" (relação entre a produção real de hidrogênio e a produção teórica de hidrogênio), "consumo de energia comparativo" (energia elétrica consumida por unidade de volume de produção de H2, em kWh/Nm³);
Fase de parada: primeiro reduzir a saída de energia para zero e desligar a fonte de energia; Pare a bomba de entrada, esvazie a água residual na piscina de eletrólise e varre o canal com nitrogênio ou ar seco para evitar que os eletrodos se humidem ou envelheçam.