再生可能エネルギー源によって駆動されるアルカリ電解槽の効率と一貫性の向上

通信工学第 2 巻、記事番号: 22 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

再生可能エネルギー源 (RES) からの低コストのアルカリ水電気分解は、大規模な水素製造に適しています。ただし、RES が変動すると、低負荷時のアルカリ水電解装置 (AWE) のパフォーマンスが低下します。ここでは、非効率と非一貫性という 2 つの緊急のパフォーマンス問題について検討します。 AWEの詳細な動作プロセス分析と確立された等価電気モデルを通じて、低負荷AWEの非効率と不整合のメカニズムが物理的構造と電気的特性に関連していることを明らかにします。さらに、AWE の効率と一貫性を向上させるためのマルチモード自己最適化電解変換戦略を提案します。特に、従来の DC 電源と比較して、実験室規模および大規模な市販の AWE を使用して、電解槽の動作範囲を 30 ～ 100% から 10 ～ 100% に拡張しながら、最大効率を 2 倍にできることを実証します。定格負荷の100%。私たちの方法は簡単に一般化でき、RES からの水素生成を促進できます。

現在、炭素集約型の化石エネルギーによって引き起こされる顕著な環境および気候問題のため、水素は大きな注目を集めています1,2。クリーンで汎用性があり、軽量であるという特性を持つ水素は、輸送 3、冶金 4、化学産業 5、およびその他の部門 6 の炭素排出量の削減に役立つ最も有望なソリューションと考えられています。その結果、水素需要は急激に増加し、2018 年には 7,000 万トンに達し、2050 年には年間 5 億 4,500 万トンに達すると予想されています7。しかし、世界の水素のほとんどは現在、化石エネルギーの改質によって得られており、多くのエネルギーを消費し、世界の CO2 排出量は年間 8 億 3,000 万トン以上に達します7。持続可能な開発のためには、水素製造は効率的で環境に優しいものでなければなりません。そこで、太陽光や風力などの再生可能電力の余剰電力を利用して水を電気分解して水素を製造する技術、いわゆるグリーン水素が注目されている8,9。

現在、電解水素法には、固体酸化物電解装置 (SOE)、陽子交換膜 (PEM) 電解装置、および AWE の 3 つがあります。 SOE は、高温 (600 ～ 900 °C)10 での水または蒸気の電気分解を可能にする高度なコンセプトを構成しており、その効率は PEM 電解槽や AWE よりも高くなります。実用化に関しては、SOE は材料の熱安定性、ガス混合物、シールの問題など、顕著な課題に直面しています。したがって、国有企業はまだ研究開発段階にあります。 SOE と比較して、PEM 電解槽と AWE は市販されています。 PEM 電解槽は AWE よりも効率が高く、より高い電流密度が可能です。 PEM 電解槽の明らかな欠点の 1 つは、ナフィオン膜、チタン製双極板、新規金属触媒 PT/C や IrO211 などの耐酸性コンポーネントの資本コストが高いことです。さらに、AWE よりも寿命が短いため、大規模な電力からガスへの変換シナリオへの適用が妨げられています12。対照的に、AWE は 100 年以上にわたって開発されてきた比較的成熟したテクノロジーです。市販の AWE の場合、地球に豊富に存在する電極触媒は両方の半反応を実行できるほど安定しており、その寿命は最大 15 年に達する可能性があります。したがって、AWE は大規模な電解水素プロジェクトに非常に適しています 13,14。

実際には最大 6 MW の AWE を備えたプロジェクトが存在しますが 15、AWE の運用の柔軟性は、特に広範囲の変動する RES によって駆動される場合には、依然として改善する必要があります。広く懸念されている課題の 1 つは、低負荷 AWE (通常、定格負荷の 25 ～ 45%) がカソードとアノードの間でガスのクロスオーバーを引き起こす可能性があるという不純物の問題です。この不純物は、特にアノードの場合、O2 中の 2 vol% H2 が爆発下限の約 50% に相当する可燃性ガス混合物を形成します 16。したがって、太陽光発電のように、供給される RES が広範囲で頻繁に変動する場合、システムの安全性を確保するために AWE の起動停止が明らかに増加します。このような頻繁な発停は、電力システムの安定性と電力品質に大きな影響を与えます17、18。同時に、AWE の低負荷削減のため、RES を完全に消費することができません。さらに、長期間のシャットダウンにより AWE に逆電流が発生し 19、20、21 、電極の耐久性に悪影響を及ぼします。ガスクロスオーバーによって引き起こされるガス不純物の定常モデルと動的モデルを,いくつかの影響要因を考慮して確立した。要約すると、ガス不純物の問題は 2 つの理由によって引き起こされます。ガス拡散によるダイヤフラムを通過するクロスオーバー 22、23 と、循環する電解液の混合によるクロスオーバー 24、25 です。低負荷 AWE のガス純度を高めるために、いくつかの戦略も提案されています。陰イオン交換膜 26、27 およびその他の新しい隔膜構造は、ガス拡散による隔膜を通過するクロスオーバーを防ぐために開発されています。同じ目標に基づいて、Qi et al. AWE の負荷範囲を拡張するための圧力制御戦略を提案しています28。一方、シュグは電解液の循環速度を適応的に調整して、循環する電解液の混合によるクロスオーバーを低減します29。ガス不純物の問題を完全に解決するために、水素と酸素の発生を分離する新しいアルカリ電解システムが設計されました30。しかし、その信頼性をさらに検証する必要があります。

15 A), there is an obvious linear relationship between the voltage and current, but with different slopes, the low-load equivalent resistance is much larger than the high-load equivalent resistance. That is, the system parameters or states are changed. (3) In the whole range, the relationship between the electrolytic voltage and electrolytic current does not meet the typical electrolysis hydrogen model presented in refs. 14,33,34./p> the reserve voltage 4.92 V. c 9 V > the reserve voltage 4.92 V. d 15 V > the reserve voltage 4.92 V./p>the reserve voltage of one cell \({U}_{o}\)(namely 1.23 V), the OER occurs on the solid–liquid interfaces of the positive electrode, and the HER occurs on the solid–liquid interfaces of the negative electrode. The hydroxide ions pass through the electrolyte channel and partial cell spaces, as shown in Fig. 4a, then the electrolytic current is generated, which is called the start-up current in this paper. This can explain the experimental results shown in Fig. 3a./p> N\cdot{U}_{o}\) does not mean that \({U}_{{IF}}\, > \,{U}_{o}\). That is, when \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) or \(I\) is very large, the middle plates produce electrolytic reactions. This can explain the experimental results shown in Fig. 3b,d./p> the reserve voltage 4.92 V./p> the reserve voltage 4.92 V./p>10 kHz) have been reported. However, since the natural mechanisms are not analyzed effectively, the related results about high-frequency pulse electrolysis are confused and cannot be unified38. In ref. 39,40,41,42, the magnitude or mean value of pulse voltages equal to the magnitude of dc voltages, it is concluded that high-frequency pulse can enhance the system efficiency from three possible aspects, namely, reactant concentration, bubble detachment, and electrical double layer. However, for the pulse power supply and dc power supply, the same magnitude or mean value of voltages does not mean the same electric power. Indeed, from the view of energy, high-frequency pulse electrolysis will introduce lots of voltage or current harmonics, which will not produce hydrogen and cause obvious efficiency loss43,44,45. For the proposed MMSOEC strategy, the motivation is totally different from that of ref. 39,40,41,42. The fundamental motivation is based on the macroscopic equivalent circuit; the choice of pulse parameters is well-founded and is greatly different from that of refs. 39,40,41,42./p>