PEM高壓電解槽基本原理及應(yīng)用

高壓PEM電解槽基本概念

高壓PEM電解槽是一種利用質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）技術(shù)的電解水制氫反應(yīng)裝置。我們常用的PEM常壓電解槽是以0.5-1.6MPa低壓力電解，在反應(yīng)過(guò)程中電解槽內(nèi)部的壓力基本不變，通過(guò)電解液中的電荷轉(zhuǎn)移并完成反應(yīng)。而PEM高壓電解槽通過(guò)電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，工作時(shí)能在較高的壓力下運(yùn)行，槽內(nèi)壓力施壓到3-5Mpa，利用化學(xué)能產(chǎn)能壓差，使電解液中的離子更容易與電極接觸，提高反應(yīng)效率，從而大幅提高電解效率，縮短測(cè)試時(shí)間，降低整體能耗和成本。這種電解槽的核心部件包括質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層、擴(kuò)散層和雙極板等。?

工作原理及設(shè)計(jì)驗(yàn)證

PEM高壓電解槽的工作原理同樣是基于水的電解過(guò)程，涉及在電解槽的陽(yáng)極和陰極上分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。在陽(yáng)極，水分子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧氣和質(zhì)子。質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜移動(dòng)到陰極，在陰極獲得電子并還原成氫氣。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，PEM高壓電解槽在研發(fā)制造之前須開展充分的建模仿真驗(yàn)證，對(duì)槽內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、承壓及密封均進(jìn)行充分的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，達(dá)成陰極和陽(yáng)極氣壓能夠達(dá)到≥4MPa的模擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后，再進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。此外，電解槽整體的耐高壓密封設(shè)計(jì)，比如密封圈、極框器件，以及對(duì)抗內(nèi)部高壓膨脹力的電解槽緊固設(shè)計(jì)，也是達(dá)成高壓PEM電解槽可以在高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

高電流密度：PEM電解槽可以在高電流密度下運(yùn)行，通常在10000 A/m2以上，這有助于提高氫氣產(chǎn)量。

高氫氣純度：由于質(zhì)子交換膜的低氣體滲透率，產(chǎn)生的氫氣純度非常高，通常在99.99%左右。

快速響應(yīng)：PEM電解槽具有快速啟動(dòng)和停止的能力，并能夠快速響應(yīng)功率調(diào)節(jié)，這使得它們能夠適應(yīng)可再生能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的波動(dòng)性。

高壓運(yùn)行：PEM電解槽可以在較高的壓力下運(yùn)行，加速反應(yīng)效率，縮短了反應(yīng)時(shí)間。

緊湊結(jié)構(gòu)：由于使用固態(tài)電解質(zhì)和高電流密度，PEM電解槽的體積相對(duì)較小，便于集成和部署。

環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：PEM電解槽能夠更好地適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)更好的耦合匹配。

市場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)小型高壓電解槽的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，未來(lái)擴(kuò)展到商用大型制氫需求場(chǎng)景。對(duì)氫氣和/或氧氣進(jìn)行加壓，可以消除或至少減少對(duì)外部氣體壓縮機(jī)的需求。此時(shí)，僅需壓縮系統(tǒng)壓力下的液態(tài)水，這所需的功率遠(yuǎn)低于將產(chǎn)氣壓縮到所需壓力的功率。因此，許多制造商將開發(fā)高壓電解系統(tǒng)作為重點(diǎn)，以進(jìn)一步提高整體效率。