Effizienz- und Konsistenzsteigerung für alkalische Elektrolyseure, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden

Jun 11, 2023

Kommunikationstechnik Band 2, Artikelnummer: 22 (2023) Diesen Artikel zitieren

2804 Zugriffe

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die kostengünstige alkalische Wasserelektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen (RESs) eignet sich für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab. Allerdings führen schwankende erneuerbare Energien bei niedrigen Lasten zu einer schlechten Leistung alkalischer Wasserelektrolyseure (AWEs). Hier untersuchen wir zwei dringende Leistungsprobleme: Ineffizienz und Inkonsistenz. Durch eine detaillierte Analyse des Betriebsprozesses von AWEs und des etablierten äquivalenten elektrischen Modells zeigen wir die Mechanismen der Ineffizienz und Inkonsistenz von AWEs mit geringer Last auf, die mit der physikalischen Struktur und den elektrischen Eigenschaften zusammenhängen. Darüber hinaus schlagen wir eine multimodale selbstoptimierende Elektrolyse-Umwandlungsstrategie vor, um die Effizienz und Konsistenz von AWEs zu verbessern. Insbesondere im Vergleich zu einer herkömmlichen Gleichstromversorgung zeigen wir anhand einer im Labormaßstab und im Großmaßstab kommerziell erhältlichen AWE, dass der maximale Wirkungsgrad verdoppelt werden kann und gleichzeitig der Betriebsbereich des Elektrolyseurs von 30–100 % auf 10–100 % erweitert werden kann. 100 % der Nennlast. Unsere Methode lässt sich leicht verallgemeinern und kann die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energiequellen erleichtern.

Heutzutage genießt Wasserstoff aufgrund der ausgeprägten Umwelt- und Klimaprobleme, die durch kohlenstoffintensive fossile Energieträger verursacht werden, große Aufmerksamkeit1,2. Aufgrund seiner sauberen, vielseitigen und leichten Eigenschaften gilt Wasserstoff als die vielversprechendste Lösung, die dazu beitragen kann, die Kohlenstoffemissionen im Transportwesen3, in der Metallurgie4, in der chemischen Industrie5 und in anderen Sektoren6 zu reduzieren. Infolgedessen ist der Wasserstoffbedarf exponentiell gestiegen und erreichte im Jahr 2018 70 Millionen Tonnen und wird im Jahr 2050 voraussichtlich 545 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen verbraucht viel Energie und verursacht einen weltweiten CO2-Ausstoß von mehr als 830 Millionen Tonnen pro Jahr7. Für eine nachhaltige Entwicklung muss die Wasserstoffproduktion effizient und umweltfreundlich sein. Daher ist die Wasserstoffproduktionstechnologie durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung überschüssiger Photovoltaik-, Windkraft- und anderer erneuerbarer Elektrizität, nämlich grüner Wasserstoff, zu einem heißen Forschungsthema geworden8,9.

Derzeit gibt es drei elektrolytische Wasserstoffmethoden: Festoxid-Elektrolyseure (SOEs), Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM) und AWEs. SOEs stellen ein fortschrittliches Konzept dar, das die Wasser- oder Dampfelektrolyse bei hohen Temperaturen (600–900 °C)10 ermöglicht und deren Effizienz höher ist als die von PEM-Elektrolyseuren und AWEs. Was die praktische Anwendung betrifft, stehen SOEs vor bemerkenswerten Herausforderungen, was die thermische Stabilität von Materialien, Gasmischungen und Dichtungsfragen betrifft. Daher befinden sich Staatsunternehmen immer noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium. Im Vergleich zu SOEs sind PEM-Elektrolyseure und AWEs kommerziell erhältlich. PEM-Elektrolyseure sind effizienter und ermöglichen höhere Stromdichten als AWEs. Ein offensichtlicher Nachteil von PEM-Elektrolyseuren sind die hohen Investitionskosten für ihre säuretoleranten Komponenten wie die Nafion-Membran, Titan-Bipolarplatten und die neuartigen Metallkatalysatoren PT/C und IrO211. Darüber hinaus behindert ihre kürzere Lebensdauer als AWEs ihre Anwendung in groß angelegten Power-to-Gas-Szenarien12. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei AWEs um eine relativ ausgereifte Technologie, die über 100 Jahre entwickelt wurde. Für kommerzielle AWEs sind auf der Erde vorkommende Elektrokatalysatoren stabil genug, um beide Halbreaktionen durchzuführen, deren Lebensdauer bis zu 15 Jahre betragen kann. Daher eignen sich AWEs sehr gut für groß angelegte elektrolytische Wasserstoffprojekte13,14.

Obwohl es in der Praxis Projekte mit AWEs mit einer Leistung von bis zu 6 MW gibt15, muss die betriebliche Flexibilität von AWEs noch verbessert werden, insbesondere wenn sie mit erneuerbaren Energiequellen mit großer Reichweite betrieben werden. Eine weithin besorgniserregende Herausforderung ist das Verunreinigungsproblem, das bei AWEs mit geringer Last (normalerweise 25–45 % der Nennlast) möglicherweise zu einem Gasübergang zwischen Kathode und Anode führen könnte. Diese Verunreinigung führt zur Bildung eines brennbaren Gasgemisches16, insbesondere an der Anode, wo 2 Vol.-% H2 in O2 etwa 50 % der unteren Explosionsgrenze entsprechen. Wenn daher die bereitgestellten erneuerbaren Energien, wie z. B. Photovoltaikstrom, häufig in einem weiten Bereich schwanken, werden die Start-Stopp-Werte der AWEs offensichtlich erhöht, um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten. Diese häufigen Start-Stopps haben großen Einfluss auf die Stabilität und Stromqualität des Stromnetzes17,18; Gleichzeitig können die erneuerbaren Energien aufgrund der geringen Lastbegrenzung der AWEs nicht vollständig genutzt werden. Darüber hinaus führt die langfristige Abschaltung zu Rückströmen bei den AWEs19,20,21, was sich negativ auf die Haltbarkeit der Elektroden auswirkt. Unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren werden stationäre und dynamische Modelle der durch Gasübertritt verursachten Gasverunreinigungen erstellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Problem der Gasverunreinigung zwei Ursachen hat: den Übergang durch das Diaphragma durch Gasdiffusion22,23 und den Übergang durch die zirkulierende Elektrolytmischung24,25. Um die Gasreinheit für AWEs mit geringer Last zu verbessern, werden auch mehrere Strategien vorgeschlagen. Anionenaustauschmembranen26,27 und andere neuartige Membranstrukturen werden entwickelt, um den Übergang durch die Membran durch Gasdiffusion zu verhindern. Basierend auf dem gleichen Ziel haben Qi et al. schlagen eine Druckkontrollstrategie vor, um den Lastbereich von AWEs28 zu erweitern. Andererseits reguliert Schug die Elektrolytzirkulationsrate adaptiv, um den Crossover durch die Vermischung des zirkulierten Elektrolyten zu reduzieren29. Um das Problem der Gasverunreinigung vollständig zu lösen, wurde ein neuartiges alkalisches Elektrolysesystem entwickelt30, das die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung trennt. Die Zuverlässigkeit muss jedoch noch weiter überprüft werden.

Durch die oben genannten Strategien wurde das Verunreinigungsproblem von AWEs mit geringer Last gemildert. In dieser Arbeit stellen wir jedoch fest, dass die Ineffizienz- und Inkonsistenzprobleme mit Ausnahme des Verunreinigungsproblems immer noch den Betrieb von AWEs mit geringer Last behindern. Bei den Niedriglast-AWEs ist der Wirkungsgrad der Elektrolyseure sehr gering und die Betriebszustände der verschiedenen Zellen der Elektrolyseure sind nicht konsistent. Das Ineffizienzproblem führt zu einer zusätzlichen Energiedissipation und das Inkonsistenzproblem führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Lebensdauer von Zellen mit langer Laufzeit. Da entsprechende Mechanismen nicht effektiv analysiert werden, können einige herkömmliche Methoden, wie neuartige Katalysatoren31, hochkonsistente Zellen von AWEs32 usw., diese beiden Probleme nicht gut lösen. Hier analysieren wir den detaillierten Betriebsprozess von AWEs und erstellen das entsprechende elektrische Modell. Anschließend werden die Ineffizienz- und Inkonsistenzmechanismen von AWEs mit geringer Last aufgedeckt. Es zeigt sich, dass die physikalischen Strukturen und elektrischen Eigenschaften, nicht aber die chemischen Eigenschaften von AWEs einen entscheidenden Einfluss auf das Schwachlastverhalten haben. Auf dieser Grundlage wird eine multimodale selbstoptimierende Elektrolyse-Umwandlungsstrategie vorgeschlagen, um die Effizienz und Konsistenz von AWEs zu verbessern. Seine Wirksamkeit wird durch eine kommerzielle AWE mit 2 Nm3/h überprüft, mit Ausnahme des Testsystems im Labormaßstab. Insbesondere im Vergleich zur herkömmlichen Gleichstromversorgung erhöht sich der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs von 29,27 auf 53,21 % bei 15 % der Nennlast für die kommerzielle AWE mit 2 Nm3/h. Gleichzeitig wird unter der Voraussetzung, dass der Systemwirkungsgrad mehr als 50 % beträgt, der Betriebsbereich des Elektrolyseurs von 30–100 % auf 10–100 % der Nennlast erweitert. Das vorgeschlagene Verfahren verändert lediglich die Stromversorgung und erfordert keine Modifikation der Komponenten von Elektrolyseuren; Es lässt sich leicht verallgemeinern und kann die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energien erleichtern.

Um die Ineffizienz- und Inkonsistenzphänomene von AWEs mit geringer Last zu veranschaulichen, werden mehrere Experimente basierend auf einem kommerziellen AWE mit 2 Nm3/h bei 80 °C (elektrische Leistung beträgt etwa 10 kW bei 80 °C) und einem einfachen AWE durchgeführt. Die kommerzielle AWE mit 2 Nm3/h wird hauptsächlich zur praktischen Verifizierung verwendet, während die einfache AWE aufgrund der bequemen Beobachtung und Messung hauptsächlich für Hauptexperimente konzipiert ist.

Wie in Abb. 1a dargestellt, ist die Zelle das Grundelement des AWE; Die Zelle besteht aus Bipolarplatten, Anoden-/Kathodenkatalysatoren und einem Diaphragma. Normalerweise handelt es sich bei kommerziellen AWEs um die bipolare Form14,25,29,33, die aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen besteht (beim übernommenen AWE beträgt die Gesamtzahl der Zellen 48). Unter dieser Bedingung hat jede Elektrode, mit Ausnahme der ersten und der letzten, zwei Polaritäten, die Anodenseite und die Kathodenseite, die zu zwei benachbarten Zellen gehören. Darüber hinaus sind der Wasserstoffkanal, der Sauerstoffkanal und der Elektrolytkanal für alle Zellen gemeinsam. Für das verwendete AWE ist der Elektrolyt eine wässrige KOH-Lösung mit 30 Gew.-%, da seine Ionenleitfähigkeit bei dieser Konzentration am höchsten ist.

Diese Experimente können das Phänomen der Ineffizienz veranschaulichen. Die gesamte AWE besteht aus 48 Zellen und die maximale Stromdichte beträgt 600 mA/cm2; Der Elektrolyt ist eine wässrige KOH-Lösung mit 30 Gew.-%. Das gesamte System wird von der Gleichspannungsquelle versorgt. Die elektrische Leistung des AWE beträgt ca. 10 kW bei 80 °C. a Prinzipielle Struktur kommerzieller AWEs (bipolare Form). b Spannungs-Strom-Kurven bei verschiedenen Temperaturen; Dabei ist die Spannung die Klemmenspannung des gesamten Elektrolyseurs und der Strom der Eingangsstrom des gesamten Elektrolyseurs. Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. c Wirkungsgrad-Leistungs-Kurven bei 80 °C; Hier ist die Leistung die Eingangsleistung des gesamten Elektrolyseurs und der Wirkungsgrad = HHV von H2/elektrischer Energieverbrauch. Fehlerbalken in (c) geben die Standardabweichung an, wobei \(n=5\). Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 1b, c sind in Datensatz 1 verfügbar.

Wenn die AWE von der Gleichspannungsquelle von 0 bis 100 V gespeist wird, ist die Beziehung zwischen der gesamten elektrolytischen Spannung und dem elektrolytischen Strom in Abb. 1b dargestellt. Aus der Abbildung sollten die folgenden Beobachtungen hervorgehen. (1) Gemäß der Reihenschaltung beträgt die theoretische Reservespannung des gesamten Elektrolyseurs etwa 59 V (48\(\times\)1,23 V). Unter 59 V wird jedoch immer noch der elektrolytische Strom erzeugt. (2) Für den Niedriglastbereich (<15 A) und den Hochlastbereich (>15 A) besteht offensichtlich eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom, aber bei unterschiedlichen Steigungen ist der Niedriglast-Ersatzwiderstand viel größer größer als der äquivalente Hochlastwiderstand. Das heißt, die Systemparameter oder -zustände werden geändert. (3) Im gesamten Bereich entspricht die Beziehung zwischen der elektrolytischen Spannung und dem elektrolytischen Strom nicht dem typischen Elektrolyse-Wasserstoffmodell, das in Lit. dargestellt ist. 14,33,34.

Abb. 1c zeigt die Systemwirkungsgradkurven mit der Variation der Eingangsleistung. Hier wird Effizienz definiert als

Für die einzelne Zelle gilt Gl. (1) kann weiter ausgedrückt werden als

wobei \({\eta }_{F}\) die Faraday-Effizienz ist, \(F\) die Faraday-Konstante ist, \({{{{{{\rm{HHV}}}}}}}_{{ {{{{\rm{H}}}}}}2}\) ist der höhere Heizwert von 1 Mol Wasserstoff, \({I}_{{Zelle}}\) ist der elektrolytische Strom und \({ V}_{{cell}}\) ist die elektrolytische Spannung.

Basierend auf Gl. (2) Betrachtet man den Elektrolyseur als reine Reihenschaltung mehrerer Zellen, verringert sich der Systemwirkungsgrad, da die Eingangsleistung bei Versorgung durch die Gleichspannungsquelle erhöht wird. Aus Abb. 1c ist jedoch ersichtlich, dass sich der Systemwirkungsgrad nicht monoton mit der Variation der Eingangsleistung ändert. Der Wirkungsgrad bei niedriger Last ist offensichtlich geringer als der Wirkungsgrad bei hoher Last. Insbesondere liegt der Systemwirkungsgrad bei weniger als 30 % unter 15 % der Nennlast. Diese experimentellen Ergebnisse veranschaulichen das Ineffizienzphänomen von AWEs mit geringer Last.

Um den Betriebsprozess des AWE besser zu verstehen, werden zur bequemen Beobachtung und Messung die Niedriglastexperimente eines einfachen AWE durchgeführt. Wie in Abb. 2a gezeigt, weist das kleinmaßstäbliche AWE mit Ausnahme der Elektrodenmaterialien eine ähnliche Struktur auf wie das großmaßstäbliche kommerzielle AWE.

Diese Experimente können das Phänomen der Inkonsistenz veranschaulichen. Das kleine AWE simuliert das groß angelegte kommerzielle AWE. Der untere Kanal (die Höhe beträgt b) simuliert den Elektrolytkanal und es gibt vier Zellen. Seine Bipolarplatten sind aus Edelstahl; Der Elektrolyt ist eine wässrige KOH-Lösung mit 30 Gew.-%. Das gesamte System wird von der Gleichspannungsquelle versorgt. a Prinzipielle Struktur des einfachen AWE, die Größe des Elektrolyseurs beträgt 50 × 10 × 12 cm, die Höhe des unteren Kanals b = 0,2 cm, die Höhe der Bipolarplatten h = 6 cm, die Größe der Bipolarplatten beträgt 10 × 10 cm und die Breite w = 0,1 cm, der Abstand zwischen Bipolarplatten d = 12 cm. b Spannungs-Strom-Kurven bei verschiedenen Temperaturen; Hier ist die Spannung die Klemmenspannung des gesamten Elektrolyseurs und der Strom der Eingangsstrom des gesamten Elektrolyseurs. Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 2b sind in Datensatz 1 verfügbar.

Die Beziehung zwischen der gesamten elektrolytischen Spannung und dem elektrolytischen Strom ist in Abb. 2b dargestellt, die Abb. 1b ähnelt. Abb. 3 zeigt die Betriebszustände verschiedener Zellen unter dem Arbeitspunkt 1 in Abb. 2b, wobei die Elektrolytspannung 3 V beträgt und kleiner als die Reservespannung 4,92 V (4\(\times\)1,23 V) ist. Es ist zu erkennen, dass nur die erste und die letzte Bipolarplatte deutliche Blasen aufweisen und die mittleren Platten keine Blasen aufweisen. Es kann das Vorhandensein von Strom überprüfen, wenn die Elektrolytspannung kleiner als die Reservespannung ist. Gleichzeitig bedeutet es auch, dass der Strom nur durch Platte1 und Platte5 fließt, nicht jedoch durch die mittleren Platten. Das heißt, elektrolytische Reaktionen finden nur an den Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen von Platte 1 und Platte 5 statt, nicht jedoch an den Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen der mittleren Platten. Daher sind die Betriebszustände verschiedener Zellen von Niedriglast-AWEs nicht konsistent, nämlich das oben erwähnte Ineffizienzphänomen.

a 3 V < Reservespannung 4,92 V. b 6 V > Reservespannung 4,92 V. c 9 V > Reservespannung 4,92 V. d 15 V > Reservespannung 4,92 V.

Durch Erhöhen der Elektrolytspannung auf 6 V, was größer ist als die Reservespannung von 4,92 V, nämlich den Betriebspunkt 2 in Abb. 2b, sind die Betriebszustände verschiedener Zellen in Abb. 3b dargestellt. Es ist jedoch zu erkennen, dass auf den mittleren Platten noch keine Reaktionen stattfinden, während die Reaktionen auf Platte1 und Platte5 stärker sind. Bei kontinuierlicher Erhöhung der Elektrolytspannung auf 9 V, also dem Arbeitspunkt 3 in Abb. 2b, ist zu erkennen, dass die oberen Teile der Mittelplatten Reaktionen aufweisen, die unteren Teile der Mittelplatten jedoch noch keine Reaktionen, wie in Abb. 2b dargestellt . 3c. Die mittleren Platten zeigen offensichtliche Reaktionen, wie in Abb. 3d gezeigt, bis die Elektrolytspannung 15 V erreicht, nämlich den Arbeitspunkt 4 in Abb. 2b, der viel größer als die Reservespannung ist. Daher kann der Elektrolyseur nicht als eine einfache Reihe mehrerer Zellen betrachtet werden, und sein Betriebsprozess ist nicht nur eine Verallgemeinerung der einzelnen Zelle; mehr ist anders35.

In diesem Abschnitt werden die Mechanismen der Ineffizienz und Inkonsistenz von AWEs mit geringer Last analysiert. Abb. 4a zeigt den elektrischen Prozess von AWEs mit geringer Last. Aufgrund des Elektrolytkanals erfolgt die Verbindung von Bipolarplatten nicht in reiner Reihe; zwei davon sind miteinander verbunden. Insbesondere sind die erste und die letzte Bipolarplatte miteinander verbunden. Wenn also die Klemmenspannung des Elektrolyseurs \({U}_{z}\) > die Reservespannung einer Zelle \({U}_{o}\) (nämlich 1,23 V) ist, tritt die OER auf dem Festkörper auf –Flüssigkeitsgrenzflächen der positiven Elektrode, und die HER findet an den Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen der negativen Elektrode statt. Die Hydroxidionen passieren den Elektrolytkanal und Teilzellräume, wie in Abb. 4a dargestellt, dann wird der elektrolytische Strom erzeugt, der in dieser Arbeit als Anlaufstrom bezeichnet wird. Dies kann die in Abb. 3a gezeigten experimentellen Ergebnisse erklären.

Wenn die Bipolarplatte elektrolytische Reaktionen hervorruft, muss ihre Grenzflächenpotentialdifferenz größer sein als die Reservespannung. Zu den elektrolytischen Reaktionen gehören die Oxygen Evolution Reaction (OER) und die Hydrogen Evolution Reaction (HER). Bei kommerziellen AWEs verbindet der Elektrolytkanal die erste und die letzte Bipolarplatte; sie können eine Zelle bilden. Daher kann der elektrolytische Strom bei niedriger Klemmenspannung erzeugt werden. Die Grenzflächenpotentialunterschiede der Mittelplatten werden jedoch nur durch den Spannungsabfall dieses elektrolytischen Stroms durch den Elektrolytkanal erzeugt. Dabei ist \({U}_{Z}\) die Klemmenspannung des Elektrolyseurs, \({U}_{{IF}}\) ist die Grenzflächenpotentialdifferenz, \({U}_{{Ohm} }\) ist die ohmsche Spannung, \({U}_{Z}=N\cdot({U}_{{IF}}+{U}_{{ohm}})\), \(N\) ist die Anzahl der Zellen. a Elektrochemischer Prozess und Strompfad der Schwachlast-AWE. b Spannungsänderungen mit der Entfernung des Schwachlast-AWE. c Ersatzschaltung bei geringer Last. d Elektrochemischer Prozess und Strompfad der Hochlast-AWE. e Spannung ändert sich mit der Entfernung des Hochlast-AWE. f Hochlast-Ersatzschaltung.

Die Grenzflächenpotentialunterschiede der Mittelplatten werden durch den Spannungsabfall des Anlaufstroms erzeugt. Aus den Strompfaden in Abb. 4b und dem Ersatzschaltbild in Abb. 4c ist ersichtlich, dass die Grenzflächenpotentialunterschiede zwischen den oberen Teilen der Mittelplatten größer sind als die der unteren Teile der Mittelplatten. Wie beispielsweise in der Abbildung gezeigt, sind die Grenzflächenpotentialdifferenzen \({U}_{{\!\!pp}\prime}\) zwischen den Punkten p und p' größer als die Grenzflächenpotentialdifferenzen \({U} _{{\!\!qq}\prime}\) zwischen den Punkten q und q'. Mit zunehmendem Anlaufstrom I kommt es daher in den oberen Teilen der Mittelplatten leichter zu elektrolytischen Reaktionen als in den unteren Teilen der Mittelplatten. Dies kann die in Abb. 3c gezeigten experimentellen Ergebnisse erklären.

Darüber hinaus kann, wie in Abb. 4b, c gezeigt, unter Berücksichtigung des ohmschen Spannungsabfalls zwischen zwei Platten \({U}_{{\!ohm}}\) die Klemmenspannung ausgedrückt werden als

wobei \(N\) die Anzahl der Zellen ist. Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass \({R}_{P}\) proportional zur Breite der Bipolarplatten w ist. Also ist \({U}_{{IF}}\) auch proportional zu w. \({U}_{{\!\!ohm}}\) ist proportional zum Abstand zwischen Bipolarplatten d. Für den Elektrolyseur mit großem \(d/w\) bedeutet \({U}_{z} > N\cdot{U}_{o}\) nicht, dass \({U}_{{IF}} \, > \,{U}_{o}\). Das heißt, wenn \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) oder \(I\) sehr groß ist, erzeugen die mittleren Platten elektrolytische Reaktionen. Dies kann die in Abb. 3b, d gezeigten experimentellen Ergebnisse erklären.

Durch die obigen Analysen wird der Inkonsistenzmechanismus von AWEs mit geringer Last aufgedeckt. Im folgenden Teil wird der Ineffizienzmechanismus von AWEs mit geringer Last untersucht.

Mit zunehmendem I wird \({U}_{{IF}}\) größer als \({U}_{o}\), dann erzeugen die mittleren Platten elektrolytische Reaktionen, wie in Abb. 4d gezeigt. Die Hydroxidionen passieren hauptsächlich die Zellräume; Die entsprechenden Strompfade und Ersatzschaltungen sind in Abb. 4e, f dargestellt. Normalerweise ist die Höhe h der Bipolarplatten (entsprechend der Querschnittsfläche) viel größer als die Höhe des Elektrolytkanals b (entsprechend der Querschnittsfläche), der Widerstand des durch die Zellräume fließenden Stroms ist viel kleiner als der Widerstand des durch den Elektrolytkanal fließenden Stroms. Gleichzeitig sind im Hochlastzustand die vertikalen Strompfade nicht erforderlich, was diesen Widerstand weiter verringert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der gesamte äquivalente Hochlastwiderstand viel kleiner ist als der gesamte äquivalente Niederlastwiderstand. Daher ist die Effizienz von AWEs bei geringer Last viel geringer als die Effizienz von AWEs bei hoher Last. Dies kann die in den Abbildungen gezeigten experimentellen Ergebnisse erklären. 1b, c und 2b.

Um das vorgeschlagene Prinzip zu überprüfen, werden weitere Bestätigungsexperimente durchgeführt. Zunächst wird die AWE untersucht, die aus rein seriellen Zellen besteht, wie in Abb. 5a dargestellt. Abgesehen davon, dass verschiedene Zellen getrennt und in reiner Reihe verbunden sind, bleiben andere Parameter dieselben wie in Abb. 2. Da es bei den rein seriellen Zellen keinen Elektrolytkanal gibt, der alle Bipolarplatten verbindet, gibt es keinen elektrolytischen Strom, wenn die Die Klemmenspannung ist niedriger als die Reservespannung, wie in Abb. 5b, c dargestellt. Gleichzeitig sind die Grenzflächenpotentialdifferenzen von Bipolarplatten die Kondensatorspannungen der elektrischen Doppelschichten, die sich die Klemmenspannung zu gleichen Teilen teilen. Wenn daher die Klemmenspannung größer als die Reservespannung ist, werden alle Platten gleichzeitig leitend, wie in Abb. 5d dargestellt. Darüber hinaus ist die Spannung, die alle Platten dazu bringt, Reaktionen auszulösen, viel geringer. Diese Schlussfolgerung kann durch den Vergleich zwischen den Abbildungen überprüft werden. 2b und 5b. Diese Vergleiche können die in Abb. 1a gezeigte weit verbreitete bipolare AWE-Struktur weiter veranschaulichen und nicht als einfache Reihe verschiedener Zellen betrachtet werden.

Zellen sind rein in Reihe geschaltet. eine Prinzipstruktur. b Spannungs-Strom-Kurven bei verschiedenen Temperaturen; Dabei ist die Spannung die Klemmenspannung des gesamten Elektrolyseurs und der Strom der Eingangsstrom des gesamten Elektrolyseurs. Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 5b sind in Datensatz 1 verfügbar. Betriebszustände verschiedener Zellen unter unterschiedlicher Elektrolytspannung bei 80 °C. c 3 V < die Reservespannung 4,92 V. d 9 V > die Reservespannung 4,92 V.

Darüber hinaus werden Bipolarplatten mit unterschiedlichen Breiten untersucht, wie in Abb. 6a dargestellt, wobei die Breite von Platte3 dreimal so groß ist wie die anderer Platten. Aus der vorherigen Analyse geht hervor, dass beim bipolaren Elektrolyseur mit einem gemeinsamen Elektrolytkanal die Grenzflächenpotentialunterschiede der Mittelplatten durch den Spannungsabfall des Anlaufstroms erzeugt werden. Daher sind die Grenzflächenpotentialdifferenzen der breiteren Bipolarplatten größer als die der schmaleren. Mit der Erhöhung des Anlaufstroms werden zuerst die erste und die letzte Bipolarplatte geleitet, dann werden die breiteren Bipolarplatten geleitet und schließlich werden die schmaleren geleitet, wie in Abb. 6c, d dargestellt; Der gesamte Betriebsprozess ist in mehrere Zustände unterteilt, wie in Abb. 6b dargestellt.

Bipolarplatten mit unterschiedlichen Breiten, hier ist die Breite von Platte3 dreimal so groß wie die anderer Platten. eine Prinzipstruktur. b Spannungs-Strom-Kurven bei verschiedenen Temperaturen; Dabei ist die Spannung die Klemmenspannung des gesamten Elektrolyseurs und der Strom der Eingangsstrom des gesamten Elektrolyseurs. Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 6b sind in Datensatz 1 verfügbar. Betriebszustände verschiedener Zellen unter unterschiedlicher Elektrolytspannung bei 80 °C. c 3 V < die Reservespannung 4,92 V. d 7 V > die Reservespannung 4,92 V.

Die Ineffizienz- und Inkonsistenzmechanismen von AWEs mit geringer Auslastung wurden im vorherigen Abschnitt aufgedeckt; Der gemeinsame Elektrolytkanal und der relativ größere äquivalente Niedriglastwiderstand sind die Hauptgründe. Eine intuitive Idee besteht darin, die Betriebsbedingungen bei niedriger Last den Betriebsbedingungen bei hoher Last ähnlich zu machen. Basierend auf diesem Gedanken wird eine MMSOEC-Strategie (Multi-Mode Self-Optimization Electrolysis Converting) vorgeschlagen, wie in Abb. 7a dargestellt. Im Unterschied zur herkömmlichen Gleichstromversorgung stellt die MMSOEC-Strategie Impulsstrom für AWEs während der Niedriglastperiode bereit, während sie die Gleichstromversorgung für AWEs während der Hochlastperiode aufrechterhält. Die Umschaltung zwischen Schwachlast- und Hochlastregelung erfolgt adaptiv entsprechend dem Leistungsbefehl. Insbesondere im Niedriglastzustand sind die AWEs abwechselnd mit der großen Stromstärke ein- und ausgeschaltet. Da die nachfolgenden Verbindungen, wie das Ausgleichsventil, die Reinigung, die Speicherung usw., als Trägheitsverbindungen betrachtet werden können, die den Schaltkreisen zur Pulsweitenmodulation (PWM) ähneln36,37, hat das gepulste Gas keinen Einfluss auf die Endproduktion.

ein Prinzip der MMSOEC-Strategie.\(\,{T}_{{on}}\) stellt die Einschaltzeit dar,\(\,{T}_{{off}}\) stellt die Ausschaltzeit dar, \({T}_ {p}\) stellt die Zykluszeit dar.\(\,{P}_{p}\) ist die optimale Systemleistung, \({U}_{p}\) und \({I}_{p}\ ) sind die optimale Arbeitsspannung und der optimale Arbeitsstrom. \({\eta }_{{{\max }}}\) ist der optimale Wirkungsgrad. b Erklärung des Mechanismus, warum die MMSOEC-Strategie die Effizienz und Konsistenz verbessern kann.

Da die AWEs über große elektrische Doppelschichtkondensatoren verfügen, verursachen Impulsspannungen große nicht-faradische Ströme. Dieser große Strom beschädigt die Stromversorgungskreise. Als Umsetzungsmaßnahme für den Schwachlastzustand werden daher Impulsströme anstelle von Impulsspannungen gewählt. Durch Ändern der Impulsbreite oder des Tastverhältnisses (nämlich \({T}_{{on}}/\,{T}_{P}\)) regelt die MMSOEC-Strategie die Systemleistung genau. Die Größe des Impulsstroms \({I}_{P}\) ist der optimale Arbeitsstrom von AWEs, die von einer Gleichstromquelle versorgt werden, bei dem der Wirkungsgrad der AWEs am höchsten ist. Um den Lade- und Entladeverlust elektrischer Doppelschichtkondensatoren zu verringern, wird die Frequenz mit 10 Hz gewählt (nämlich \({T}_{P}=0,1\,{{{{{\rm{s}}}}} }\)). Dieser Impulsstrom kann durch ausgereifte Leistungselektroniktechnologien leicht realisiert werden.

Wie in Abb. 7a dargestellt, ist der Niedriglastzustand so definiert, dass die Systemleistung niedriger ist als \({P}_{P}\) (die Systemleistung unter dem optimalen Arbeitsstrom \({I}_{P). }\)), und der Hochlastzustand ist so definiert, dass die Systemleistung höher als \({P}_{P}\) ist. Bei AWEs mit geringer Last ist der bereitgestellte Arbeitsstrom während der Betriebszeit groß genug, um alle Bipolarplatten wie in der Hochlastsituation leiten zu können. Während der Ausschaltzeit ist der bereitgestellte Arbeitsstrom Null; AWEs funktionieren nicht mehr und nur der elektrische Doppelschichtkondensator entlädt sich. Auf diese Weise arbeiten die AWEs immer unter optimalen Bedingungen, wie in Abb. 7b dargestellt. Für die Hochlast-AWEs wird immer noch die Gleichstromversorgungsmethode verwendet und die Systemleistung wird über die Stromstärke geregelt. Daher können unter der MMSOEC-Stromversorgung die Effizienz und Konsistenz von AWEs mit geringer Last erheblich verbessert werden.

Es ist zu beachten, dass für kleine Einzelzellen (elektrische Leistung < 100 W) über die Auswirkungen der Hochfrequenz-Pulselektrolyse (>10 kHz) berichtet wurde. Da die natürlichen Mechanismen jedoch nicht effektiv analysiert werden, sind die entsprechenden Ergebnisse zur Hochfrequenz-Pulselektrolyse verwirrend und können nicht vereinheitlicht werden38. In Ref. 39,40,41,42, wobei die Größe oder der Mittelwert von Impulsspannungen gleich der Größe von Gleichspannungen ist, wird der Schluss gezogen, dass Hochfrequenzimpulse die Systemeffizienz aus drei möglichen Aspekten verbessern können, nämlich Reaktantenkonzentration, Blasenablösung, und elektrische Doppelschicht. Bei der Impulsstromversorgung und der Gleichstromversorgung bedeutet jedoch die gleiche Größe oder der gleiche Mittelwert der Spannungen nicht die gleiche elektrische Leistung. Aus energetischer Sicht führt die Hochfrequenz-Pulselektrolyse tatsächlich zu vielen Spannungs- oder Stromoberschwingungen, die keinen Wasserstoff erzeugen und zu offensichtlichen Effizienzverlusten führen43,44,45. Für die vorgeschlagene MMSOEC-Strategie ist die Motivation völlig anders als die von Referenz. 39,40,41,42. Die grundlegende Motivation basiert auf dem makroskopischen Ersatzschaltbild; Die Wahl der Pulsparameter ist fundiert und unterscheidet sich stark von der der Refs. 39,40,41,42.

Abb. 8a zeigt die Auswirkungen der vorgeschlagenen MMSOEC-Strategie basierend auf dem Testelektrolyseur im Labormaßstab, dessen Aufbau dem in Abb. 2a ähnelt, die Parameter jedoch unterschiedlich sind. Es ist offensichtlich, dass die Effizienz des Systems bei geringer Last im Vergleich zur herkömmlichen Gleichstromversorgung durch die vorgeschlagene MMSOEC-Strategie erheblich verbessert wird. Vor allem der Wirkungsgrad steigt bei 500 W von 15,36 auf 29,78 %, was mehr als dem Doppelten entspricht. Bei der MMSOEC-Strategie wird im Hochlastzustand immer noch die Gleichstromversorgung verwendet; Daher bleibt die Systemeffizienz gleich.

a Effizienzsteigerung des Testelektrolyseurs im Labormaßstab bei 80 °C, wobei \({I}_{P}=30\,{{{{{\rm{A}}}}}}\, \({ T}_{P}=0,1\,{{{{{\rm{s}}}}}}\). Es gibt 25 Zellen, die Bipolarplatten bestehen aus Edelstahl und der Elektrolyt ist eine wässrige KOH-Lösung mit 30 Gew.-%. Die Größe des Elektrolyseurs beträgt 41 × 10 × 12 cm, die Höhe des Bodenkanals b = 0,5 cm, die Höhe der Bipolarplatten h = 9 cm, die Größe der Bipolarplatten beträgt 10 × 10 cm und die Breite w = 0,1 cm, der Abstand zwischen Bipolarplatten d = 1,6 cm. Fehlerbalken in (a) geben die Standardabweichung an, wobei \(n=5\). Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 8a sind in Datensatz 1 verfügbar. b Effizienzsteigerung des kommerziellen AWE bei 80 °C, wobei \({I}_{P}=40\,{{{{{\rm{A}} }}}}\), \({T}_{P}=0,1\,{{{{{\rm{s}}}}}}\). Fehlerbalken in (b) geben die Standardabweichung an, wobei \(n=5\). Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 8b sind in Datensatz 1 verfügbar. c Elektrolytspannung und -strom des kommerziellen AWE unter der MMSOEC-Stromversorgung bei einem Tastverhältnis = 0,75. d Elektrolytspannung und -strom des kommerziellen AWE unter der MMSOEC-Stromversorgung bei einem Tastverhältnis = 0,45. Hier ist die Leistung die Eingangsleistung des gesamten Elektrolyseurs und der Wirkungsgrad = HHV von H2/Stromverbrauch.

Um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Lösungen weiter zu überprüfen, werden MMSOEC-Stromversorgungsexperimente für die kommerzielle AWE mit 2 Nm3/h durchgeführt. Abb. 8b zeigt die Systemeffizienz mit den Änderungen der Eingangsleistung unter der vorgeschlagenen MMSOEC-Stromversorgung. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Effizienz des Systems bei geringer Last erheblich verbessert wird. Insbesondere im Vergleich zur herkömmlichen Gleichstromversorgung erhöht sich der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs von 29,27 auf 53,21 % bei 15 % der Nennlast, nämlich 1500 W. Unter der Voraussetzung, dass der Systemwirkungsgrad größer als 60 % (92 % des maximalen Wirkungsgrads) ist ) wird der Betriebsbereich des Elektrolyseurs von 40–100 % auf 22–100 % der Nennlast erweitert. Wenn der Systemwirkungsgrad außerdem nicht weniger als 50 % (77 % des maximalen Wirkungsgrads) beträgt, wird der Betriebsbereich des Elektrolyseurs von 30–100 % auf 10–100 % der Nennlast erweitert. Die Ergebnisse von Abb. 8a, b legen nahe, dass die MMSOEC-Strategie nicht nur die grundsätzliche Verifizierung ist, sondern auch einen großen praktischen Wert hat; Es kann auf verwandte praktische Projekte übertragen werden.

Abb. 8c, d zeigen die Spannungs- und Stromwellenformen des kommerziellen AWE. Es ist ersichtlich, dass die AWE im Niedriglastzustand abwechselnd ein- und ausgeschaltet ist. Im eingeschalteten Zustand ist der elektrolytische Strom viel größer als der von der Gleichstromquelle erzeugte elektrolytische Strom, wie in Abb. 1b dargestellt. Darüber hinaus lassen sich anhand der Spannungsverläufe die Lade- und Entladevorgänge elektrischer Doppelschichtkondensatoren deutlich beobachten.

Abb. 9 zeigt den Einfluss der vorgeschlagenen MMSOEC-Strategie auf die Lebensdauer des kommerziellen AWE. Anhand der Ergebnisse des beschleunigten Degradationstests lässt sich erkennen, dass die MMSOEC-Strategie keinen offensichtlichen Einfluss auf die Spannungs-Strom-Kurven des AWE hat. Das heißt, die Lebensdauer des AWE weist unter der Kontrolle der MMSOEC-Strategie keine offensichtliche Verschlechterung auf. Da bei der MMSOEC-Strategie die Ausschaltzeit des Impulsstroms im Niedriglastzustand sehr kurz ist (<100 ms), bleibt nicht genügend Zeit, um den Rückstrom zu bilden, der in der Regel mehrere Minuten benötigt19,20 ,21. Während der Ausschaltzeit des Impulsstroms unter der MMSOEC-Stromversorgung wird der Entladestrom elektrischer Doppelschichtkondensatoren dominiert, der nicht-Faradisch ist. Daher hat die MMSOEC-Strategie keinen Einfluss auf die Haltbarkeit der Elektroden und hat keinen Einfluss auf die Lebensdauer des AWE.

Das angenommene beschleunigte Degradationstestprotokoll sieht vor, dass die Eingangsleistung für einen Zyklus in der Reihenfolge von 10 %, 20 %, 30 %, 50 %, 70 % und 100 % der elektrischen Nennleistung bei 60 °C und alle anderen geändert wird Der Betriebszustand dauert 1 Minute, d. h. ein Zyklus dauert 6 Minuten. Während des gesamten beschleunigten Abbautests wird die Temperatur des Elektrolyseurs auf 60 °C gehalten und insgesamt werden 2200 Zyklen durchgeführt. Nach bestimmten Zyklen werden die Spannungs-Strom-Kurven des kommerziellen AWE von 0 bis 100 V erneut gemessen. Der Versuch wurde fünfmal wiederholt. Die Quelldaten für Abb. 9 sind in Datensatz 1 verfügbar.

Wir haben die Ineffizienz- und Inkonsistenzprobleme von AWEs mit geringer Last aufgezeigt, die den Betriebsbereich von AWEs, die von RESs angetrieben werden, erheblich einschränken. Es wird gezeigt, dass der Betriebsablauf einer einzelnen Zelle nicht einfach auf den gesamten Elektrolyseur übertragen werden kann; mehr ist anders. Durch die detaillierte Analyse des Betriebsprozesses von AWEs und des etablierten äquivalenten elektrischen Modells werden die Ineffizienz- und Inkonsistenzmechanismen aufgedeckt. Es zeigt sich, dass der gemeinsame Elektrolytkanal und der relativ größere äquivalente Niedriglastwiderstand die Hauptgründe sind. Das heißt, die physikalischen Strukturen und elektrischen Eigenschaften, nicht aber die chemischen Eigenschaften von AWEs haben einen entscheidenden Einfluss auf das Schwachlastverhalten. Auf dieser Grundlage wird eine multimodale, selbstoptimierende Elektrolyse-Umwandlungsstrategie vorgeschlagen, um die Effizienz und Konsistenz von AWEs mit geringer Last zu verbessern. Seine Wirksamkeit wird nicht nur durch ein Testsystem im Labormaßstab, sondern auch durch einen kommerziellen AWE mit 2 Nm3/h überprüft. Insbesondere im Vergleich zur herkömmlichen Gleichstromversorgung kann die maximale Effizienzsteigerung mehr als das Zweifache betragen und der Betriebsbereich kann auf 10 % der Nennlast erweitert werden. In dieser Arbeit werden lediglich feste Frequenzen und Impulsamplituden verwendet; Wenn die Impulsströme selbstadaptiv an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden können, kann die Leistung von AWEs bei geringer Last weiter verbessert werden. Das vorgeschlagene Verfahren verändert lediglich die Stromversorgung und erfordert keine Modifikation der Komponenten von Elektrolyseuren; Es lässt sich leicht verallgemeinern und kann die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energien erleichtern.

Wie in Abb. 10a dargestellt, stammt das kommerzielle AWE mit 2 Nm3/h von Suzhou Jing Li Hydrogen Equipment Co., Ltd. Dieses kommerzielle AWE ist mit Protonendurchflussmessern (RHE26, Rheonik Co., Ltd.), Luftentfeuchtern und Taupunkt ausgestattet Hygrometer (SD-P, Alpha Moisture Systems), Analysatoren für den H2-Gehalt in O2-Abgasen (NFY-3A, Xi'an Tiger Electric Technology Co., Ltd.), Analysatoren für den O2-Gehalt in H2-Abgasen (NFY-2A, Xi' eine Tiger Electric Technology Co., Ltd.) und so weiter. Der Auspuff beträgt etwa einen Bar. Der verwendete Elektrolyt ist eine wässrige Lösung von KOH (Typ I, Huarong Chemical Co., Ltd.) mit 30 Gew.-%; Diese Lösung wird mindestens 10 Minuten lang gerührt und gründlich gemischt. Durch Entfeuchtung und Reinigung beträgt die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs mehr als 99,999 %. Daher kann die Systemeffizienz für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab genau gemessen werden.

ein kommerzieller AWE (10 kW). b Einfache AWEs für die Beobachtung. c Testelektrolyseur im Labormaßstab (3 kW) zur Ergebnisverifizierung. d Struktur des Multimode-Selbstoptimierungs-Elektrolysekonverters und seiner Steuerungsmethode im Niedriglastzustand.

Wie in Abb. 10b dargestellt, bestehen die einfachen selbstgebauten AWEs hauptsächlich aus zwei Teilen, den Gerinnen und Bipolarplatten. Die Rinnen bestehen aus Acrylplatten (PMMA, Shimao Co., Ltd.), die transparent und bequem für die Beobachtung sind. Die Dicke von Acrylplatten beträgt 5 mm. Die Bipolarplatten bestehen aus Edelstahl 304 (304, Zhongzhiyuan Stainless Steel Products Co., Ltd.), der 18 % Cr und 8 % Ni enthält. Diese Bipolarplatten sind für verschiedene Experimente unterschiedlich dick, wie in den Abbildungen dargestellt. 3, 5 und 6. Vor der Verwendung dieser Platten werden sie mit einer wässrigen KOH-Lösung mit hoher Konzentration gewaschen, um die Oberflächenölverunreinigungen zu entfernen. Anschließend werden sie 30 Minuten lang in eine saubere wässrige KOH-Lösung getaucht. Ähnlich wie beim kommerziellen AWE ist der verwendete Elektrolyt eine wässrige Lösung von KOH (Typ I, Huarong Chemical Co., Ltd.) mit 30 Gew.-%; Diese Lösung wird mindestens 10 Minuten lang gerührt und gründlich gemischt. Die Betriebszustände verschiedener Zellen werden von der Unterwasserkamera (CT60, Shenzhen Avanline Digital-tech Co., Ltd.) überwacht, die die Gasadhäsion auf Platten erfassen kann. Alle verwendeten Materialien und Geräte sind im Handel erhältlich.

Abb. 10c zeigt den Testelektrolyseur im Labormaßstab, der zur Verifizierung der vorgeschlagenen MMSOEC-Strategie verwendet wurde. Im Vergleich zu Abb. 10b ist die Größe größer und die Anzahl der Zellen ist größer. Darüber hinaus befindet sich über dem Gerinne eine Dichtungsabdeckung mit mehreren Gasauslässen zum Sammeln von Gasen. Hinter den Gasauslässen befinden sich Trockenmittelanschlüsse, um das Wasser von Gasen zu befreien. Auf diese Weise kann der Systemwirkungsgrad durch Messung der erzeugten Gase berechnet werden. Gleichzeitig gibt es Zirkulationswege zur Zirkulation des Elektrolyten und zur Aufrechterhaltung seiner Konzentration.

Die Multimode-Selbstoptimierungs-Elektrolyse-Konverterschaltung ist in Abb. 10d dargestellt. Die Eingangsspannung \({V}_{s}\) beträgt 180 V (PSI 91500-30 3U, Elektro-Automatik Group). Für den Niedriglastzustand wird \({V}_{s}\) durch einen Leistungshalbleiterschalter \({S}_{1}\) geregelt, um den induktiven Strom \({i}_{L} \) durch einen Proportionalregler auf \({I}_{p}\) gehalten werden. Schalter \({S}_{2}\) ist abwechselnd ein- und ausschaltbar; Sein Tastverhältnis \({d}_{2}\) wird durch einen Proportionalregler mit einer Trägheitsverbindung erster Ordnung entsprechend der gewünschten Systemleistung oder Wasserstoffproduktionsrate geregelt. Dann wird \({d}_{2}\) an einen Impulsgenerator gesendet, um PWM-Wellen zu erzeugen. Diese PWM-Wellen regeln den Schalter \({S}_{2}\) in Echtzeit und schließlich wird der gewünschte Impulsstrom erzeugt. Für den Hochlastzustand bleibt der Schalter \({S}_{2}\) im ausgeschalteten Zustand, der induktive Strom \({i}_{L}\) ist nicht festgelegt und wird entsprechend der gewünschten Systemleistung geregelt oder Wasserstoffproduktionsrate. Der gesamte Steueralgorithmus ist in einem DSP-Mikrocontroller realisiert.

Die Filterdrossel L dient zur Glättung der vom Schalter \({S}_{1}\) erzeugten Impulse und zur Bildung des Dauerstroms. Gleichzeitig wird aufgrund der Einführung von L auch eine Freilaufdiode VD benötigt. Die Schlüsselparameter des übernommenen multimodalen selbstoptimierenden Elektrolysekonverters sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der kommerzielle AWE (10 kW) und der Testelektrolyseur im Labormaßstab (3 kW) werden vom multimodalen selbstoptimierenden Elektrolysekonverter angetrieben, während der vereinfachte AWE von einer Niederspannungsquelle (KA3005D/P, Korad Technology Co.) angetrieben wird ., GmbH.). Die Klemmenspannungen und Eingangsströme dieser AWEs werden von einem Oszilloskop (MSO-X 3104 A, Agilent Technologies) überwacht, wobei die Spannungen direkt gemessen werden und die Ströme durch einen hochpräzisen Hall-Sensor (ZQM150LTBS, Zhuqingkeji Co.) gemessen werden ., GmbH.). Durch die direkte Messung der Klemmenspannungen von AWEs kann der Einfluss des durch die Leitung verursachten Spannungsabfalls vermieden werden, insbesondere bei Situationen mit hohem Strom.

Die Effizienz von AWEs ist definiert als Gl. (1). Der HHV von Wasserstoff wird mit 141,88 MJ/kg oder 12,67 MJ/Nm3 gewählt. Bei der kommerziellen AWE wird die Wasserstoffproduktion mit dem Protonendurchflussmesser (RHE26, Rheonik Co., Ltd.) gemessen, der die Wasserstoffmasse (g) messen kann. Die eingegebene elektrische Energie wird mit dem Leistungsanalysator (PA6000H, Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd.) gemessen, der die Klemmenspannung, den Eingangsstrom und den Stromverbrauch (kWh) des Elektrolyseurs messen kann.

Zusammenfassend wird die Systemeffizienz für die kommerzielle AWE berechnet als:

Dabei ist \(M\) die akkumulierte Wasserstoffmasse (g), \(E\) der elektrische Energieverbrauch (kWh).

Für den Testelektrolyseur im Labormaßstab wird das Gesamtvolumen des elektrolytischen Wasserstoff- und Sauerstoffgemisches (H2:O2 = 2:1) gemessen. Dann kann das Wasserstoffvolumen ermittelt werden. Basierend auf der Gaszustandsgleichung kann das Wasserstoffvolumen bei Standardtemperatur und -druck weiter abgeleitet werden. Es ist zu beachten, dass das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch explosiv ist; Jegliche offene Flamme sollte vermieden werden.

Zusammenfassend wird die Systemeffizienz für den Testelektrolyseur im Labormaßstab wie folgt berechnet:

Dabei ist \(V\) das äquivalente akkumulierte Wasserstoffvolumen (L) bei Standardtemperatur und -druck, \(E\) der elektrische Energieverbrauch (kWh).

Die Quelldaten für Abb. 1b, c, 2b, 5b, 6b, 8a, b und 9 sind im Ergänzungsdatensatz 1 enthalten. Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Glenk, G. & Reichelstein, S. Ökonomie der Umwandlung erneuerbarer Energien in Wasserstoff. Nat. Energie 4, 216–222 (2019).

Artikel Google Scholar

Lenz, O. Wasserstoff wird lebendig. Nat. Energie 5, 426–427 (2020).

Artikel Google Scholar

Cano, ZP et al. Batterien und Brennstoffzellen für aufstrebende Elektrofahrzeugmärkte. Nat. Energie 3, 279–289 (2018).

Artikel Google Scholar

Wang, RR et al. Wasserstoff-Direktreduktion (H-DR) in der Stahlindustrie – ein Überblick über Herausforderungen und Chancen. J. Sauber. Prod. 329, 129797–129807 (2021).

Artikel Google Scholar

Ma, Y. et al. Wasserstoff und Ethanol: Produktion, Lagerung und Transport. Int. J. Hydrog. Energie 46, 27330–27348 (2021).

Artikel Google Scholar

Daehn, K. et al. Innovationen zur Dekarbonisierung der Materialindustrie. Nat. Rev. Mater. 7, 275–294 (2022).

Artikel Google Scholar

IEA. Die Zukunft des Wasserstoffs – Analyse https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen (2019).

Song, S. et al. Produktion von Wasserstoff aus Offshore-Windenergie in China und kostengünstige Lieferung nach Japan. Nat. Komm. 12, 6953–6960 (2021).

Artikel Google Scholar

Kakoulaki, G. et al. Grüner Wasserstoff in Europa – eine regionale Bewertung: Ersatz der bestehenden Produktion durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien. Energiewandler. Geschäftsführer 228, 113649–113667 (2021).

Artikel Google Scholar

Lang, M. et al. Langzeitverhalten von Festoxid-Elektrolyse-Stacks (SOEC). ECS. Trans. 91, 2713–2725 (2019).

Artikel Google Scholar

Yuan, W., Zhao, M., Yuan, J. & Li, CM Ni-Schaum unterstützte ein dreidimensionales, vertikal ausgerichtetes und vernetztes geschichtetes CoO-Nanoblatt/Graphen-Hybrid-Array als Hochleistungselektrode für die Sauerstoffentwicklung. J. Power Sources 319, 159–167 (2016).

Artikel Google Scholar

Partidário, P., Aguiar, R., Martins, P., Rangel, CM & Cabrita, I. Die Wasserstoff-Roadmap im portugiesischen Energiesystem – Entwicklung des P2G-Falls. Int. J. Hydrog. Energie 45, 25646–25657 (2020).

Artikel Google Scholar

Ivy, J. Zusammenfassung der elektrolytischen Wasserstoffproduktion. Meilenstein-Abschlussbericht Nr. NREL/MP-560-36734 (National Renewable Energy Lab, 2004).

Ursua, A., Gandia, LM & Sanchis, P. Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse: aktueller Status und zukünftige Trends. IEEE 100, 410–426 (2011).

Artikel Google Scholar

Bailera, M., Lisbona, P., Romeo, LM & Espatolero, S. Rückblick auf Power-to-Gas-Projekte: Labor-, Pilot- und Demoanlagen zur Speicherung erneuerbarer Energie und CO2. Erneuern. Sust. Energy Rev. 69, 292–312 (2017).

Artikel Google Scholar

Janssen, H., Bringmann, JC, Emonts, B. & Schröder, V. Sicherheitsrelevante Studien zur Wasserstoffproduktion in Hochdruckelektrolyseuren. Int. J. Hydrog. Energie 29, 759–770 (2004).

Artikel Google Scholar

Liu, S., Liu, PX & Wang, X. Stabilitätsanalyse der netzinternen Wechselrichtersteuerung in Verteilungssystemen mit mehreren verteilten Photovoltaik-basierten Generatoren. IEEE Trans. Ind. Elektron. 63, 7339–7348 (2016).

Artikel Google Scholar

Meng, X., Chen, M., He, M., Wang, IEEE Trans. Power-Elektron. 37, 3763–3768 (2021).

Artikel Google Scholar

Haleem, AA et al. Auswirkungen von Betriebs- und Abschaltparametern und Elektrodenmaterialien auf das Rückstromphänomen in alkalischen Wasseranalysatoren. J. Power Sources 535, 231454–231465 (2022).

Artikel Google Scholar

Haleem, AA et al. Ein neues beschleunigtes Haltbarkeitstestprotokoll für Wasseroxidations-Elektrokatalysatoren von alkalischen Wasserelektrolyseuren, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Elektrochemie 89, 186–191 (2021).

Artikel Google Scholar

Uchino, Y. et al. Zusammenhang zwischen den Redoxreaktionen an einer Bipolarplatte und dem Rückstrom nach alkalischer Wasserelektrolyse. Elektrochemie 9, 67–74 (2018).

Google Scholar

Schalenbach, M., Lueke, W. & Stolten, D. Wasserstoffdiffusionsfähigkeit und Elektrolytpermeabilität des Zirfon PERL-Separators für die alkalische Wasserelektrolyse. J. Elektrochem. Soc. 163, F1480 (2016).

Artikel Google Scholar

Hodges, A. et al. Eine leistungsstarke kapillargespeiste Elektrolysezelle verspricht wettbewerbsfähigeren erneuerbaren Wasserstoff. Nat. Komm. 13, 1304 (2022).

Artikel Google Scholar

Haug, P., Koj, M. & Turek, T. Einfluss der Prozessbedingungen auf die Gasreinheit bei der alkalischen Wasserelektrolyse. Int. J. Hydrog. Energie 42, 9406–9418 (2017).

Artikel Google Scholar

David, M., Ocampo-Martinez, C. & Sanchez-Peña, R. Fortschritte bei alkalischen Wasserelektrolyseuren: eine Übersicht. J. Energy Storage 23, 392–403.

Artikel Google Scholar

Li, D. et al. Hochquaternisierte Polystyrol-Ionomere für Hochleistungs-Wasserelektrolyseure mit Anionenaustauschmembran. Nat. Energie 5, 378–385 (2020).

Artikel Google Scholar

Hickner, MA, Herring, AM & Coughlin, EB Anionenaustauschmembranen: aktueller Status und zukünftige Entwicklung. J. Polym. Wissenschaft. B Polym. Physik. 51, 1727–1735 (2013).

Artikel Google Scholar

Qi, R. et al. Druckkontrollstrategie zur Erweiterung des Belastungsbereichs eines alkalischen Elektrolysesystems. Int. J. Hydrog. Energie 46, 35997–36011 (2021).

Artikel Google Scholar

Schug, CA Betriebsmerkmale der hocheffizienten Hochdruck-Wasserstoff-Elektrolyse. Int. J. Hydrog. Energie 23, 1113–1120 (1998).

Artikel Google Scholar

Chen, L., Dong, X., Wang, Y. & Xia, Y. Trennung der Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung bei der alkalischen Wasserelektrolyse unter Verwendung von Nickelhydroxid. Nat. Komm. 7, 11741 (2016).

Artikel Google Scholar

Zhou, KL et al. Platin-Einzelatomkatalysator gekoppelt mit einer Übergangsmetall-/Metalloxid-Heterostruktur zur Beschleunigung der alkalischen Wasserstoffentwicklungsreaktion. Nat. Komm. 12, 3783 (2021).

Artikel Google Scholar

Ren, P. et al. Neuartige Analysemethode für Membran-Elektroden-Baugruppenparameter zur Bewertung der Brennstoffzellenkonsistenz durch Mikrostromanregung. Appl. Energie 306, 118068 (2022).

Artikel Google Scholar

Ursúa, A. & Sanchis, P. Statisch-dynamische Modellierung des elektrischen Verhaltens eines kommerziellen fortschrittlichen alkalischen Wasserelektrolyseurs. Int. J. Hydrog. Energie 37, 18598–18614 (2012).

Artikel Google Scholar

Ulleberg, Ø. Modellierung fortschrittlicher alkalischer Elektrolyseure: ein Systemsimulationsansatz. Int. J. Hydrog. Energie 28, 21–33 (2003).

Artikel Google Scholar

Anderson, PW Mehr ist anders: gebrochene Symmetrie und die Natur der hierarchischen Struktur der Wissenschaft. Wissenschaft 177, 393–396 (1972).

Artikel Google Scholar

He, X. et al. Natur der Leistungselektronik und Integration der Leistungsumwandlung mit Kommunikation für gesprächige Leistung. Nat. Komm. 11, 2479 (2020).

Artikel Google Scholar

Erickson, RW & Maksimovic, D. Grundlagen der Leistungselektronik (Springer, 2007).

Burton, NA, Padilla, RV, Rose, A. & Habibullah, H. Steigerung der Effizienz der Wasserstoffproduktion durch solarbetriebene Wasserelektrolyse. Erneuern. Sust. Energy Rev. 135, 110255–110270 (2021).

Artikel Google Scholar

Demir, N., Fatih Kaya, M. & Salahaldin Albawabiji, M. Einfluss des Impulspotentials auf die Leistung der alkalischen Wasserelektrolyse. Int. J. Hydrog. Energie 43, 17013–17020 (2018).

Artikel Google Scholar

Vincent, I. et al. Elektrochemischer Zyklus zur Wasserspaltung mit gepulstem Strom zur Wasserstoffproduktion. Int. J. Hydrog. Energie 43, 10240–10248 (2018).

Artikel Google Scholar

Rocha et al. Gepulste Wasserelektrolyse: ein Rückblick. Elektrochim. Acta 377, 138052–138071 (2021).

Artikel Google Scholar

Liu, T., Wang, J., Yang, X. & Gong, M. Ein Überblick über die Pulselektrolyse für eine effiziente Energieumwandlung und chemische Produktion. J. Energy Chem. 59, 69–82 (2021).

Artikel Google Scholar

Dobó, Z. Einfluss der Spannungsschwankung der Stromversorgung auf die Effizienz der alkalischen Wasserelektrolyse. Int. J. Hydrog. Energie 41, 11849–11856 (2016).

Artikel Google Scholar

Dobó, Z. & Árpád, BP Einfluss der Stromschwankung auf die Effizienz der alkalischen Wasserelektrolyse. Int. J. Hydrog. Energie 42, 5649–5656 (2017).

Artikel Google Scholar

Ursúa, A. et al. Einfluss der Stromversorgung auf die Energieeffizienz eines alkalischen Wasserelektrolyseurs. Int. J. Hydrog. Energie 34, 3221–3233 (2009).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wird vom National Key R&D Program of China (Auszeichnung Nr. 2020YFB1506801), dem Science and Technology Project der State Grid Corporation of China (Auszeichnung Nr. 52110421005H) und dem Zhejiang Provincial Key R&D Program (Auszeichnung Nr. 2022C01161) unterstützt. .

Hochschule für Elektrotechnik, Zhejiang-Universität, 310027, Hangzhou, Provinz Zhejiang, China

Yanghong Xia, Haoran Cheng, Hanghang He und Wei Wei

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

YX hatte die Idee, schrieb die Arbeit und leitete die Experimente. HC und HH entwarfen und implementierten die Experimente und beteiligten sich am Schreiben der Arbeiten. WW leitete das Projekt, gab allen Co-Autoren Anleitung und lieferte Ideen zur theoretischen Analyse.

Korrespondenz mit Yanghong Xia.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Communications Engineering dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptherausgeber: Miranda Vinay und Rosamund Daw.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Xia, Y., Cheng, H., He, H. et al. Effizienz- und Konsistenzsteigerung für alkalische Elektrolyseure, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden. Commun Eng 2, 22 (2023). https://doi.org/10.1038/s44172-023-00070-7

Zitat herunterladen

Eingegangen: 31. Januar 2023

Angenommen: 17. April 2023

Veröffentlicht: 03. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-023-00070-7

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt