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干货丨温度对PEM电解槽性能的影响

势银能链  · 公众号  ·  · 2024-10-12 11:30

正文



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PEM电解水制氢技术具有产气纯度高、动态响应速度快、负荷范围广、运行电流密度高、输出氢气压力高、结构紧凑等众多优点。PEM电解槽作为制氢系统的核心部件，其性能受到多种因素的影响，其中温度便是一个非常关键的因素，温度对PEM电解槽性能的影响主要体现在以下几个方面：


— 01 —

对电压的影响


假设电解水的过程是可逆的，其可逆电压( rev )是驱动水电解所需的最小电压，计算公式为：






在电解水制氢过程中，由于反应的焓、熵、吉布斯自由能均随工作温度的不同而变化，因此电解电压在不同的温度条件下也不相同。在1个大气压下，不同温度时水电解所需能量如下图1所示。


图1 不同温度下水电解能量要求


— 02 —

对反应速率的影响


温度可以显著影响质子交换膜的电导率和催化剂的活性，进而影响电解槽的反应速率。膜的电导率与温度的关系如下式所示：



式中：

——Nafion中的水含量，定义为水分子的数目与带电节点（SO3-H+）数目的比，完全饱和时为22；

——膜的电导率。


从上式可以分析得出，温度升高，质子交换膜的电导率增大，可以降低电池的内阻，提高电解槽的性能和效率。


在动力学中，热力学平衡时的反应速率可以通过阿伦尼乌斯方程相对于活化能进行量化，温度升高，反应的活化能降低，催化剂活性提高，反应速率加快。




分别在40℃、50℃和60℃的工作温度下进行实验，图2显示了在不同工作温度下得到的极化曲线。温度升高，相同电压下电解槽拥有更高的电流密度，电解槽表现出更好的性能。


图2 不同温度下的极化曲线


— 03 —

对膜电极结构的影响


虽然提高温度可以提高电解槽的反应速率，但并不是温度越高越好。PEM 电解槽的操作温度通常不超过 100°C，温度过高会破坏膜电极组件和催化剂的结构，使其丧失稳定性和耐久性。

图3 高温对膜电极的影响


综上所述，温度是影响 PEM 电解槽性能的一个重要因素，温度运行范围的选择需要在高效率和使用寿命之间获得平衡。特嗨氢能检测基于6年50万+时长涉氢实验室的稳定运行累积了丰富测试经验，欢迎行业伙伴一起交流一起成长！




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