Développement et application d'une technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons sous les fluctuations de l'énergie éolienne et solaire II

Développement et application d'une technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons sous les fluctuations de l'énergie éolienne et solaire II

II. Caractéristiques de base de la production d'hydrogène par Électrolyse de l'eau PEM sous alimentation électrique fluctuante éolienne et solaire
Sous l'alimentation électrique fluctuante de l'énergie éolienne et solaire, les paramètres de fonctionnement de l'électrolyseur subissent des changements transitoires, ce qui peut causer des dommages irréversibles aux principaux composants. En explorant les caractéristiques de performance de l'électrolyse de l'eau PEM pour la production d'hydrogène sous l'alimentation électrique fluctuante de l'énergie éolienne et solaire, le mécanisme d'atténuation et les méthodes d'évaluation des composants de l'électrolyseur PEM sont d'une grande valeur pour la recherche et le développement de technologies clés pour les composants de l'électrolyseur PEM.

1. Les fluctuations de l’énergie éolienne et solaire ont un impact significatif sur les cellules électrolytiques
Habituellement, la tension d'entrée de la cellule électrolytique est contrôlée dans une certaine plage ; lorsque la puissance d'entrée de la cellule électrolytique fluctue, la tension de la cellule électrolytique change légèrement, tandis que le courant fluctue de manière significative. Lorsque le contrôle de stabilisation de tension est adopté dans des applications pratiques, une fois que la puissance d'entrée de la cellule électrolytique change, le courant fluctue fortement, ce qui entraînera un changement brusque de la vitesse de réaction de l'électrode, provoquant un écart de la cellule électrolytique par rapport à l'état de fonctionnement stable. En raison de l'existence d'un surpotentiel de réaction d'électrode, la tension d'entrée est nettement supérieure à la tension théorique ; bien que la réaction d'électrolyse de l'eau soit une réaction endothermique, la chaleur Joule générée par la perte ohmique fait augmenter progressivement la température de la cellule électrolytique au fil du temps, même dans des conditions d'alimentation électrique stables. D'après les caractéristiques de fonctionnement de la cellule électrolytique dans des conditions d'énergie éolienne simulées, on peut constater que la température change avec la fluctuation de la production d'électricité dans des conditions de fonctionnement transitoires. Une fois que la température de la cellule électrolytique baisse, la vitesse de réaction de l'électrode ralentit et l'efficacité diminue. L'augmentation de la puissance entraîne une augmentation de la température, et l'augmentation des rendements en oxygène et en hydrogène à la surface de l'électrode conduit à la fixation de bulles à la surface de l'électrode, augmentant ainsi la résistance au transfert d'ions de la couche de catalyseur et réduisant la zone de réaction efficace. , générant ainsi un surpotentiel de réaction plus élevé, entraînant une augmentation de la tension de la cellule électrolytique. La fixation et l'écoulement des bulles conduisent également à un apport inégal d'électrolyte à la surface de l'électrode, provoquant une réaction inégale et des points chauds locaux sur la surface de l'électrode.
Ces dernières années, le sujet de l'impact de l'alimentation électrique fluctuante éolienne et solaire sur l'atténuation des performances ou le vieillissement des cellules électrolytiques a reçu beaucoup d'attention de la part des chercheurs nationaux et étrangers, mais certaines conclusions sont différentes. Grâce au test de durabilité de 500 heures de la cellule électrolytique PEM, les caractéristiques de performance de la cellule électrolytique dans différents modes de fonctionnement ont été clarifiées et il a été constaté que dans le mode de fonctionnement à cycle rapide (simulant la production d'énergie photovoltaïque), à mesure que la résistance ohmique diminuait , les performances de la cellule électrolytique ont été améliorées. Après le test de durabilité de 1 000 heures de la cellule électrolytique PEM, il a été constaté que le taux d'atténuation des performances de la cellule électrolytique était de 194 μV/h et que 78 % de l'atténuation provenait de l'augmentation de la résistance ohmique de l'anode-poreuse. couche; l'atténuation des performances de la cellule électrolytique a été considérablement atténuée dans les conditions d'alimentation électrique fluctuante éolienne et solaire, car l'alimentation électrique fluctuante éolienne et solaire a partiellement restauré la dégradation réversible et atténué le problème de dégradation des électrodes. La stabilité à long terme des performances de la cellule électrolytique sous différentes caractéristiques d'entrée et son mécanisme d'atténuation nécessitent encore des études plus approfondies.

2. Les fluctuations de l’énergie éolienne et solaire accélèrent la dégradation des composants des cellules électrolytiques
1). Couche catalytique
La couche catalytique de la cellule électrolytique est généralement composée d'un catalyseur (tel que des métaux précieux tels que Pt, RuO2, Ir, IrO2) et d'un liant (tel que l'acide perfluorosulfonique). Afin d'améliorer la durabilité, la couche catalytique est généralement chargée de certains matériaux de support conducteurs, tels que TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC. Les catalyseurs ci-dessus peuvent répondre aux exigences de performances élevées des cellules électrolytiques PEM, mais la durabilité dans des conditions de fonctionnement difficiles est difficile à satisfaire. Les performances de l'anode sont plus sérieusement dégradées dans des conditions de faible charge de catalyseur, et les mécanismes d'atténuation correspondants comprennent principalement la dissolution, l'agglomération et la passivation du porteur. Après un test de durabilité de 5 500 heures sur la cellule électrolytique PEM, il a été constaté que la corrosion de la couche catalytique et la dégradation du catalyseur au platine étaient les principaux facteurs conduisant à une dégradation des performances.
2). Membrane d'échange
Dans les électrolyseurs PEM traditionnels, la membrane échangeuse est utilisée pour séparer les produits de réaction gazeux, transporter les protons et soutenir les couches de catalyseur cathodique et anodique. Il doit avoir une excellente stabilité chimique, une résistance mécanique, une stabilité thermique, une conductivité protonique et d’autres caractéristiques. La dégradation des performances de la membrane échangeuse est principalement due à une contamination de la membrane ou à une dégradation chimique. Du point de vue de la sécurité et de la fiabilité, la durabilité de la membrane est cruciale pour l'électrolyseur. Les dommages à la membrane peuvent provoquer un mélange direct de l'hydrogène et de l'oxygène générés. Le mécanisme de dégradation de la membrane échangeuse est principalement divisé en trois types : dégradation mécanique, dégradation thermique et dégradation chimique/électrochimique.
3). Plaque bipolaire
La plaque bipolaire est un composant multifonctionnel de la cellule électrolytique. Il conduit efficacement les électrons, fournit des canaux pour le transport des réactifs/produits, maintient la stabilité mécanique et l'intégrité de l'équipement et sert de composant de gestion thermique. En tant que composant principal de la cellule électrolytique, le coût représente environ 48 % de celui de la cellule électrolytique PEM. Sa conception et sa fabrication doivent répondre aux exigences de conductivité élevée, de résistance à la corrosion, de faible coût et de résistance mécanique élevée. Cependant, les changements de tension/courant sous l'alimentation fluctuante de l'énergie éolienne et solaire entraînent des changements inégaux ou drastiques de la température de la cellule électrolytique, entraînant une répartition inégale des contraintes ou des changements de contraintes répétés, entraînant une résistance de contact accrue et une contrainte de performance mécanique. , ce qui affecte finalement la durabilité de la cellule électrolytique.

3. Méthode de simulation de l'alimentation électrique fluctuante éolienne et solaire
Le développement de programmes de recherche sur les tests de décroissance accélérée, l'évaluation de la durée de vie et la durabilité des cellules électrolytiques et de leurs composants contribuera à évaluer le comportement de désintégration des matériaux et à mieux comprendre le mécanisme de désintégration des matériaux. La durabilité des cellules électrolytiques PEM est principalement évaluée par un courant constant dans des conditions spécifiques de température et de pression. La durée du test de durée de vie des cellules électrolytiques est relativement longue (> 4 × 104 h) et le coût d'évaluation de la durabilité correspondant est relativement élevé. À l’heure actuelle, il n’existe aucune méthode d’évaluation de la durabilité normalisée et généralement acceptée pour les composants des cellules électrolytiques PEM. Les milieux universitaires et industriels européens se sont engagés depuis longtemps à caractériser, tester et évaluer les performances, l'efficacité et la durabilité des cellules électrolytiques et ont accumulé une riche expérience. Les travaux représentatifs comprennent : l'utilisation de méthodes d'essais de contrainte accélérées pour évaluer la stabilité chimique des membranes dans les cellules électrolytiques PEM ; étudier les effets de différentes formes d'onde fluctuantes d'entrée de puissance éolienne et solaire sur la dégradation des cellules électrolytiques PEM, et croire que les alimentations électriques à ondes carrées et en dents de scie accélèrent considérablement la dégradation des électrodes ; proposer de simuler le mode de fonctionnement de démarrage et d'arrêt de cellules électrolytiques par un courant constant et une tension en circuit ouvert, et découvrir que des conditions de circuit ouvert peuvent accélérer la dégradation des performances des cellules électrolytiques. On pense généralement que l'atténuation accélérée est généralement liée à la densité de courant, à la pression et à la température, mais il manque encore des méthodes de test d'atténuation accélérée pour les cellules électrolytiques sous des sources d'énergie éoliennes et solaires fluctuantes et des plans de mise en œuvre standardisés associés. Les méthodes de test dans des conditions à facteur unique sont difficiles à évaluer de manière exhaustive les caractéristiques d'atténuation des cellules électrolytiques sous des sources d'énergie éoliennes et solaires fluctuantes.