El Banco de pruebas de electrolisis de agua es un equipo experimental especial para estudiar, verificar y optimizar el proceso de electrolisis de agua (incluida la electrolisis de agua alcalina, la electrolisis de agua de membrana de intercambio de protones y otras tecnologías). su principio básico de trabajo se basa en la esencia electroquímica del agua electrolítica, y realiza un control preciso del proceso de electrolisis, monitoreo de parámetros y evaluación del rendimiento a través de la integración de varios módulos funcionales. A continuación se detallan los principios básicos, la composición de los sistemas clave y el flujo de trabajo:
I. principios básicos: reacciones electroquímicas del agua electrolítica
La esencia de la electrolisis del agua es reducir y oxidar las moléculas de agua (h2o) en los polos Yin y Yang de la célula electrolítica, impulsadas por una fuente de alimentación externa de corriente continua, y descomponerlas en hidrógeno (h2o) y oxígeno (o2o), la fórmula de reacción es la siguiente:
Reacción catódica (reacción de reducción): las moléculas de agua obtienen electrones y generan iones de hidrógeno e hidrógeno (condiciones alcalinas) o iones de hidrógeno (condiciones de membrana de intercambio ácido / protones).
Condiciones alcalinas: 2H o + 2E → H qi↑ + 2oh
Condiciones de la membrana de intercambio de protones (pem): 2H + 2E → h⁻↑ ( h⁺ producida por la descomposición del agua anódica y migrada al cátodo a través de la membrana de intercambio de protones)
Reacción anódica (reacción de oxidación): las moléculas de agua pierden electrones y generan iones de oxígeno e hidrógeno (o reaccionan con oh para generar agua).
Condiciones alcalinas: 4oh - 4E → o※ 2↑ + 2H - o
Condiciones pem: 2H o - 4E → o o↑ + 4H
Las reacciones anteriores deben superar la barrera de energía de descomposición de las moléculas de agua, por lo que el Banco de pruebas debe proporcionar suficiente voltaje electrolítico a través de una fuente de alimentación de corriente continua estabilizada (el voltaje de descomposición teórico es de 1,23 v, y el voltaje de trabajo real es generalmente de 1,5 a 2,5 V debido a la Pérdida de polarización, resistencia, etc.), al tiempo que reduce la energía de activación de la reacción a través de materiales de electrodos (como platino y níquel en el cátodo, óxido de Iridium rutenio en el ánodo, etc.) y mejora la eficiencia electrolítica.
II. composición y funciones de los sistemas clave
El Banco de pruebas de electrolisis de agua no es un solo dispositivo, sino que consta de un módulo de electrolisis, un módulo de suministro de energía, un módulo de control de fluidos, un módulo de monitoreo de parámetros y un sistema auxiliar. cada módulo coopera para lograr la controlabilidad y testabilidad del proceso de electrolisis.
1. módulo de célula electrolítica (recipiente de reacción central)
La célula electrolítica es el núcleo de la reacción, y su estructura está diseñada de acuerdo con las necesidades de prueba (como alcalinidad, pem, electrolisis de agua de óxido sólido y otras rutas técnicas), y contiene principalmente:
Yin / ánodo: utilizar materiales objetivo experimentales (como nuevos electrodos recubiertos de catalizadores) para proporcionar sitios de reacción;
Diafragmas / electrolitos: separación de gases positivos y negativos (prevención de explosiones mixtas de h⁻ y o⁺ y conducción simultánea de iones (como oh⁻ por diafragmas de amianto en electrolizadores alcalinos, h⁺ por membranas de intercambio de protones en electrolizadores pem);
Canal de flujo: diseñar un canal de flujo independiente para la entrada de agua, la producción de hidrógeno y la producción de oxígeno para garantizar una distribución uniforme del líquido.
2. módulo de suministro de energía (fuente de energía que impulsa la reacción)
Por lo general, es una fuente de alimentación de corriente continua de alta precisión, que puede lograr dos modos de salida de "tensión constante" y "corriente constante":
Modo de tensión constante: voltaje electrolítico fijo, monitoreo de cambios de corriente (reflejando la velocidad de reacción, la actividad del electrodo);
Modo de corriente constante: corriente electrolítica fija, monitoreo de cambios de voltaje (reflejando la resistencia del sistema, el grado de polarización).
Algunos bancos de pruebas de alta gama también admiten modos de prueba electroquímicos como "voltios amperios de escaneo lineal" y "corrientes / potenciales cronológicos" para analizar las características dinámicas de los electrodos.
3. módulo de control de fluidos (para garantizar un suministro estable de respuesta)
Responsable de proporcionar agua desionizada estable (solución electrolítica) a la célula electrolítica y controlar los parámetros del fluido:
Sistema de entrada de agua: transporte de agua desionizada a través de una bomba peristáltica de precisión o una bomba de pistón (la pureza debe alcanzar más de 18m¿ cm, evitando que las impurezas afecten el rendimiento del electrodo), el flujo se puede ajustar con precisión (generalmente de 0,1 a 10 ml / min);
Sistema de escape y separación: después de que la mezcla gas - líquido producida por la electrolisis se separa por un separador Gas - líquido, el gas (h¿ o¿ se expulsa a través de una tubería independiente, y el líquido regresa o se recicla;
Control de temperatura: envuelva la célula electrolítica a través de una manga de calentamiento y un baño de agua circulante a temperatura constante, controle la temperatura de reacción en un rango establecido (como 25 a 80 grados celsius) para estudiar el impacto de la temperatura en la eficiencia electrolítica.
4. módulo de monitoreo de parámetros (núcleo para evaluar el rendimiento)
Los parámetros clave en el proceso de electrolisis se recogen en tiempo real para calcular indicadores de rendimiento como la eficiencia electrolítica y el consumo de energía. los principales parámetros de monitoreo incluyen:
Parámetros electroquímicos: monitorear el voltaje electrolítico, la corriente y la resistencia (prueba eis) a través de sensores propios de la fuente de alimentación o estaciones de trabajo electroquímicas externas;
Parámetros del gas: medir la tasa de producción de h¿ o¿ o¿ o¿ por un medidor de flujo de gas (como un medidor de flujo de masa) y analizar la pureza del gas por cromatografía de gases (detectar si contiene trazas de o¿ o¿ o h¿ h¿ h¿ h¿ h¿ h¿ H
Parámetros líquidos y ambientales: monitorear la temperatura de la célula electrolítica y la presión del sistema a través de sensores de temperatura y presión, y monitorear la pureza de la entrada de agua a través de medidores de conductividad eléctrica.
III. flujo de trabajo típico
Tomando como ejemplo el Banco de pruebas de electrolisis de agua pem, su flujo de trabajo estándar es el siguiente:
Fase de preparación: inyectar agua desionizada en el tanque de agua, comprobar la estanqueidad de la célula electrolítica y el Estado de conexión de los electrodos, y establecer la temperatura objetivo y el flujo de agua;
Arranque y estabilización: abra el sistema de temperatura constante, y después de que la temperatura de la célula electrolítica cumpla con los estándares, inicie la bomba de entrada de agua para transportar agua a la célula electrolítica; Abra la fuente de alimentación de corriente continua y precaliente el sistema con baja corriente / tensión durante 5 a 10 minutos para eliminar las burbujas en el canal de flujo;
Electrolisis y monitoreo: cambiar al modo de trabajo objetivo (como corriente constante) y registrar el voltaje, la tasa de producción de gas, la temperatura y otros parámetros en tiempo real; Si es necesario estudiar el rendimiento del electrodo, se puede iniciar una estación de trabajo electroquímica para el escaneo lineal o la prueba de resistencia;
Procesamiento de datos: calcular los indicadores básicos de acuerdo con los datos de monitoreo, como "eficiencia electrolítica" (relación entre la producción real de hidrógeno y la producción teórica de hidrógeno), "consumo específico de energía" (energía eléctrica consumida por el volumen unitario de producción h, unidad: kWh / nm3);
Fase de parada: primero baje la salida de energía a cero y apague la energía; Detenga la bomba de entrada de agua, vacíe el agua residual de la célula electrolítica y sople el canal de flujo con nitrógeno o aire seco para evitar que los electrodos se mojen o el diafragma envejezca.