Die Hydroelektrolyse-Prüfanlage ist eine spezielle experimentelle Ausrüstung für die Forschung, Validierung und Optimierung des Hydroelektrolyseprozesses (einschließlich alkalischer Hydroelektrolyse, Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse und anderer Technologien), deren Kernprinzip auf der elektrochemischen Natur des Elektrolysewassers basiert und durch die Integration mehrerer Funktionsmodule die präzise Steuerung des Elektrolyseprozesses, die Überwachung der Parameter und die Leistungsbewertung erreicht. Im Folgenden werden drei Aspekte der Kernprinzipien, der kritischen Systemkomposition und des Workflows beschrieben:
Grundprinzip: Elektrochemische Reaktionen von Elektrolysewasser
Die Essenz der Wasserelektrolyse besteht darin, dass unter Antrieb einer externen Gleichstromversorgung das Wassermolekül (H₂O) in den Yin- und Yang-Polen des Elektrolysebackens reduziert und oxidiert wird, um in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu zerbrechen, wie folgt:
Kathodenreaktion (Reduktionsreaktion): Wassermoleküle erhalten Elektronen und erzeugen Wasserstoff- und Wasserstoff-Ionen (alkalische Bedingungen) oder Wasserstoff-Ionen (Säure / Protonen-Austauschmembranbedingungen).
Alkalische Bedingungen: 2H₂O+2e−→H₂↑+2OH−
Protonenaustauschfilmenbedingungen (PEM): 2H ProtoProtonenaustauschfilmenbedingungen: 2H 2ProtoProtonenaustauschfilmenbedingungen: 2H ProtoProtonenaustauschfilmenbedingungen: 2H ProtonenaProtonenaustauschfilmenbedingungen: 2H Protonenaustauschfilmenbedingungen: 2H Protonenaustauschfilmenbedingungen: 2
Anodenreaktion (Oxidationsreaktion): Wassermoleküle verlieren Elektronen und erzeugen Sauerstoff- und Wasserstoffionen (oder reagieren mit OH- zu Wasser).
Alkalische Bedingungen: 4OH-4e- →O₂↑+2H₂O
PEM-Bedingungen: 2H₂O-4e 22O₂↑+4H PEM
Die oben genannte Reaktion muss die Zersetzungsbarriere des Wassermoleküls überwinden, daher muss der Testtisch eine ausreichende Elektrolyse-Spannung durch eine Gleichstromregulierte Stromversorgung liefern (die theoretische Zersetzungsspannung ist 1,23 V, die tatsächliche Verluste aufgrund der Polarisierung, des Widerstands und anderer, die Arbeitsspannung ist in der Regel 1,5 ~ 2,5 V), während die Reaktionsaktivierungsenergie durch Elektrodenmaterial (wie Platin, Nickel, Iridium-Oxid der Anode, etc.) reduziert wird, um die Elektrolyseeffizienz zu verbessern.
Schlüsselsystemzusammensetzung und -funktion
Der Hydroelektrolyseprüfstand besteht nicht aus einem einzigen Gerät, sondern aus Batteriepoolmodulen, Energieversorgungsmodulen, Flüssigkeitssteuerungsmodulen, Parameteröberwachungsmodulen und Hilfssystemen, die die Steuerbarkeit und Messbarkeit des Elektrolyseprozesses gemeinsam erreichen.
1. Elektrolyse-Pool-Modul (Kernreaktionsbehälter)
Der Elektrolyseback ist der Kern der Reaktion und seine Struktur ist gemäß den Testanforderungen (wie alkalische, PEM, Festoxid-Wasserelektrolyse und andere technische Routen) konzipiert und umfasst hauptsächlich:
Yin / Anode: Verwenden Sie experimentelle Zielmaterialien (z. B. neue Katalysatorbeschichtete Elektroden) zur Bereitstellung von Reaktionsstellen;
Membran / Elektrolyt: Trennung von Anodegasen (verhindert die Explosion von H₂ und O₂-Mischungen) und gleichzeitige Leitung von Ionen (z. B. Asbestmembran für alkalische Elektrolytenbacke für OH-, Protonentauschmembran für PEM-Elektrolytenbacke für H+);
Flusskanäle: Entwerfen Sie unabhängige Flusskanäle für Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff, um eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit sicherzustellen.
2. Energieversorgungsmodul (Antriebsquelle für die Reaktion)
Normalerweise ist es eine hochpräzise Gleichstromversorgung, die zwei Ausgangsmodi für "konstante Spannung" "konstanter Strom" erreichen kann:
Konstante Spannungsmodus: Feste Elektrolyse-Spannung, Überwachung von Stromveränderungen (reflektiert die Reaktionsgeschwindigkeit, Elektrodenaktivität);
Konstantestrommodus: Fixierer Elektrolysestrom, Überwachung von Spannungsänderungen (reflektiert Systemwiderstand, Polarisationsgrad).
Einige High-End-Prüfstände unterstützen auch elektrochemische Prüfmodi wie „lineares Scan-Volt-Ampere“ und „Zeitstrom/Potenzial“ zur Analyse der Elektrodendynamik.
3. Flüssigkeitssteuerungsmodul (Gewährleistung einer stabilen Versorgung der Reaktion)
Verantwortlich für die Bereitstellung eines stabilen Deionisierungswassers (Elektrolytlösung) für den Elektrolyseback und die Steuerung der Flüssigkeitsparameter:
Wasserzufuhrsystem: Die Förderung von deionisiertem Wasser durch eine Präzisionspermutationspumpe oder eine Kolbenpumpe (Reinheit von bis zu 18MΩ · cm, um Verunreinigungen zu vermeiden, die die Elektrodeneigenschaften beeinflussen), der Durchfluss kann genau reguliert werden (in der Regel 0,1 ~ 10mL / min);
Abgas- und Trennungssystem: Nach der Trennung der elektrolysierten Gas- und Flüssigkeitsmischung durch einen Gas- und Flüssigkeitsabtrenner wird das Gas (H₂, O₂) über unabhängige Leitungen abgeleitet, um die Flüssigkeit zurückzuführen oder zu recyceln;
Temperaturregelung: Durch eine Heizungsbehälte, ein thermostatisches Zirkulationsbad, ein Elektrolysebad, wird die Reaktionstemperatur im Einstellbereich (z. B. 25 ~ 80 ° C) gesteuert, um die Auswirkungen der Temperatur auf die Elektrolyseeffizienz zu untersuchen.
4. Parameter-Monitoring-Modul (Kern der Leistungsbewertung)
Schlüsselparameter des Elektrolyseprozesses werden in Echtzeit erfasst, um Leistungsindikatoren wie Elektrolyseeffizienz, Energieverbrauch und andere zu berechnen.
Elektrochemische Parameter: Überwachung von Elektrolyse-Spannung, Strom und Impedanz (EIS-Test) über einen Sensor oder eine externe elektrochemische Arbeitsstation mit Stromversorgung;
Gasparameter: Messung der Ausbeute von H₂ und O₂ mittels Gasdurchflussmessern (z. B. Massenflussmesser), Analyse der Gasreinheit mittels Gaschromatografie (Nachweis, ob es Spuren von O₂ oder H₂ enthält);
Flüssigkeits- und Umgebungsparameter: Überwachung der Temperatur und des Systemdrucks des Elektrolysebackens durch Temperatursensoren, Drucksensoren und Überwachung der Reinheit des Eingangswassers durch Leitfähigkeitsmesser.
Typischer Workflow
Nehmen wir zum Beispiel den PEM-Wasserelektrolyseprüfstand, dessen Standard-Arbeitsablauf wie folgt ist:
Vorbereitungsphase: Deionisiertes Wasser in den Wasserbehälter einzuspritzen, die Dichtheit des Elektrolytbeckens, den Zustand der Elektrodenverbindung zu überprüfen, die Zieltemperatur und den Zufuhrfluss festzulegen;
Start und Stabilität: öffnen Sie das Thermostat-System, bis die Temperatur des Elektrolysebackens erreicht ist, starten Sie die Zulaufpumpe, um Wasser in den Elektrolyseback zu liefern; Einschalten Sie die Gleichstromversorgung, um das niedrige Strom / Spannung Vorwärmsystem für 5 ~ 10 Minuten, um die Blasen im Flussweg zu entfernen;
Elektrolyse und Überwachung: Umschalten in den Zielbetriebsmodus (z. B. konstanter Strom), um Spannung, Gasleistung, Temperatur und andere Parameter in Echtzeit aufzuzeichnen; Für die Untersuchung der Elektrodeneigenschaften können elektrochemische Arbeitsstationen für lineare Scans oder Impedanzprüfungen gestartet werden;
Datenverarbeitung: Berechnung von Kernindikatoren wie „Elektrolyseeffizienz“ (Verhältnis zwischen der tatsächlichen Wasserstoffproduktion und der theoretischen Wasserstoffproduktion), „Verhältnismäßiger Energieverbrauch“ (Stromverbrauch per Produktionseinheit H₂, in kWh/Nm³);
Ausfallphase: Senken Sie zuerst die Stromausgabe auf Null und schalten Sie die Stromversorgung aus; Stoppen Sie die Zufußpumpe, entleeren Sie das Restwasser in der Elektrolysebecke und feuchen Sie den Flusskanal mit Stickstoff oder trockener Luft, um eine Befeuchtung der Elektroden oder eine Alterung der Membrane zu verhindern.