Le banc d'essai d'électrolyse de l'eau est un équipement expérimental spécialisé pour l'étude, la validation et l'optimisation des processus d'électrolyse de l'eau (y compris les technologies telles que l'électrolyse de l'eau alcaline, l'électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons, etc.), dont le principe de fonctionnement de base est basé sur la nature électrochimique de l'eau électrolysée et permet un contrôle précis du processus d'électrolyse, la surveillance des paramètres et l'évaluation Les principes de base, la composition des systèmes clés et les processus de travail sont détaillés ci - dessous:
I. principe de base: réaction électrochimique de l'eau électrolysée
L'essence de l'électrolyse de l'eau est la réaction de réduction et d'oxydation des molécules d'eau (h₂o) aux pôles femelle et mâle de la cellule d'électrolyse, sous l'impulsion d'une source d'alimentation externe en courant continu, décomposée en hydrogène (h₂o) et en oxygène (o₂), avec la formule suivante:
Réaction cathodique (réaction de réduction): les molécules d'eau reçoivent des électrons qui génèrent de l'hydrogène et des ions hydroxydes (conditions basiques) ou des ions hydrogène (conditions membranaires acides / échangeuses de protons).
Conditions alcalines: 2h₂o + 2e⁻ → h₂↑ + 2oh⁻
Conditions de membrane échangeuse de protons (PEM): 2h⁺ + 2e⁻ → h₂↑ (h⁺ est produit par décomposition de l'eau anodique et migre vers la cathode à travers la membrane échangeuse de protons)
Réaction anodique (réaction d'oxydation): les molécules d'eau perdent leurs électrons et produisent des ions oxygène et hydrogène (ou réagissent avec oh⁻ pour produire de l'eau).
Conditions alcalines: 4oh⁻ - 4e⁻ → o₂ ↑ + 2h₂o
Conditions PEM: 2h₂o - 4e⁻ → o₂↑ + 4h⁺
La réaction ci - dessus doit surmonter la barrière d'énergie de décomposition de la molécule d'eau, de sorte que le banc d'essai doit fournir une tension d'électrolyse suffisante (la tension de décomposition théorique est de 1,23 V, en fait en raison de la polarisation, de la résistance et d'autres pertes, la tension de fonctionnement est généralement de 1,5 ~ 2,5 v), tout en réduisant l'énergie d'activation de la réaction par les matériaux d'électrode (tels que le platine, le nickel de la cathode, l'oxyde d'iridium - ruthénium de l'anode, etc.), améliorant l'efficacité de l'électrolyse.
II. Composition et fonctions essentielles du système
Le banc d'essai d'électrolyse de l'eau n'est pas une unité unique, mais se compose d'un module de cellule d'électrolyse, d'un module d'alimentation, d'un module de contrôle des fluides, d'un module de surveillance des paramètres et d'un système auxiliaire, qui travaillent ensemble pour assurer la contrôlabilité et la mesurabilité du processus d'électrolyse.
1. Module de cellule d'électrolyse (cuve de réaction principale)
Les cellules d'électrolyse sont au cœur de la genèse de la réaction et leur structure est conçue en fonction des besoins de test (par exemple, les voies techniques telles que l'alcalinité, PEM, électrolyse de l'eau d'oxyde solide, etc.) et contiennent principalement:
Femelle / anode: utilisation d'un matériau cible expérimental (par exemple, une nouvelle électrode revêtue d'un catalyseur) fournissant un site de réaction;
Membrane / électrolyte: séparation des gaz cathodiques (empêchant les explosions mixtes de h₂ et o₂) Tout en conduisant des ions (tels que le diaphragme en amiante de la cellule d'électrolyse alcaline conduit oh⁻, la membrane échangeuse de protons de la cellule d'électrolyse PEM conduit h⁺);
Canaux d'écoulement: conception de canaux d'écoulement indépendants pour l'entrée d'eau, la production d'hydrogène et la production d'oxygène, assurant une distribution uniforme du fluide.
2. Module d’alimentation (source d’énergie qui entraîne la réaction)
Généralement, il s'agit d'une source d'alimentation DC de haute précision, qui peut atteindre deux modes de sortie "tension constante" "courant constant":
Mode voltostat: tension d'électrolyse fixe, surveillance des variations de courant (reflétant la vitesse de réaction, l'activité de l'électrode);
Mode galvanostat: fixe le courant d'électrolyse, surveille les variations de tension (reflète la résistance du système, le degré de polarisation).
Certains bancs d'essai haut de gamme prennent également en charge les modes d'essai électrochimiques tels que « voltampère à balayage linéaire», « courant / potentiel chronographique» pour l'analyse des caractéristiques cinétiques des électrodes.
3. Module de contrôle de fluide (alimentation stable de réaction de garantie)
Chargé de fournir de l'eau déionisée stable (solution d'électrolyte) à la cellule d'électrolyse et de contrôler les paramètres du fluide:
Système d'entrée d'eau: pompe péristaltique de précision ou pompe à piston pour transporter de l'eau désionisée (la pureté doit être supérieure à 18mΩ ・cm, éviter les impuretés affectant les performances de l'électrode), le débit peut être ajusté avec précision (généralement 0,1 ~ 10ml / min);
Système d'échappement et de séparation: après séparation du mélange gaz - liquide issu de l'électrolyse par un séparateur gaz - liquide, les gaz (h₂, o₂) sont évacués par une ligne indépendante et le liquide est refoulé ou recyclé;
Contrôle de la température: envelopper la cellule d'électrolyse par une gaine chauffante, un bain d'eau à circulation thermostatique, contrôler la température de réaction dans une plage définie (par exemple, 25 ~ 80 ℃), étudier l'influence de la température sur l'efficacité de l'électrolyse.
4. Module de surveillance paramétrique (au cœur de l'évaluation des performances)
Acquisition en temps réel des paramètres clés dans le processus d'électrolyse pour calculer des indicateurs de performance tels que l'efficacité de l'électrolyse, la consommation d'énergie, les principaux paramètres de surveillance comprennent:
Paramètres électrochimiques: surveillance de la tension d'électrolyse, du courant, de l'impédance (Test EIS) par l'alimentation électrique avec son propre capteur ou poste de travail électrochimique externe;
Paramètres gazeux: mesure du rendement en h₂, o₂ au moyen d'un débitmètre de gaz tel qu'un débitmètre massique, analyse de la pureté du gaz par chromatographie en phase gazeuse (détection de traces d'o₂ ou de h₂);
Paramètres des fluides et de l'environnement: surveillance de la température de la cellule d'électrolyse, de la pression du système à l'aide de capteurs de température, de capteurs de pression et de la pureté de l'eau entrante à l'aide d'un conductimètre.
Iii. Processus de travail typique
Prenons l'exemple du banc d'essai d'électrolyse de l'eau PEM, dont le flux de travail standard est le suivant:
Phase préparatoire: injection d'eau désionisée dans le réservoir, vérification de l'étanchéité de la cellule d'électrolyse, état de connexion des électrodes, réglage de la température cible, débit d'entrée d'eau;
Démarrage et stabilisation: allumer le système de température constante, après la température de la cellule d'électrolyse, démarrer la pompe d'entrée d'eau pour envoyer de l'eau à la cellule d'électrolyse; Allumez l'alimentation en courant continu, Préchauffez le système à faible courant / tension pendant 5 ~ 10 minutes, excluez les bulles d'air dans le canal d'écoulement;
Électrolyse et surveillance: passer au mode de fonctionnement cible (par exemple, courant constant), enregistrer en temps réel les paramètres tels que la tension, le rendement en gaz, la température, etc.; Pour étudier les performances des électrodes, un poste de travail électrochimique peut être démarré pour un balayage linéaire ou un test d'impédance;
Traitement des données: calcul d’indicateurs de base tels que « l’efficacité électrolytique » (rapport entre la production réelle d’hydrogène et la production théorique d’hydrogène), « la consommation spécifique d’énergie » (énergie électrique consommée par unité de volume de production h₂, en kWh / nm³) à partir des données de surveillance;
Phase d'arrêt: réduisez d'abord la sortie d'alimentation à zéro, éteignez l'alimentation; Arrêter la pompe d'entrée d'eau, vider l'eau résiduelle dans la cellule d'électrolyse, purger le canal d'écoulement avec de l'azote ou de l'air sec, empêcher l'humidité des électrodes ou le vieillissement du diaphragme.