جریان و ولتاژ الکترون الکترولایزر PEM در پیکربندی‌های تک سلولی- و سری چند سلولی (پشته)

درک اصول بنیادی جریان الکترون و جمع ولتاژ برای بهینه سازی طراحی، کارایی و مقیاس پذیری الکترولیزهای آب غشایی تبادل پروتون (PEM) برای تولید هیدروژن سبز حیاتی است. این مقاله تجزیه و تحلیل سیستماتیک و واضحی از مسیر جریان الکترولیتی و رفتار الکتریکی ارائه می‌کند، که عملکرد یک مجموعه الکترود غشایی تک (MEA) را با عملکرد یک پشته متصل صنعتی-مقیاس و سری- مقایسه می‌کند. ما چگونگی هدایت الکترون‌های آزاد شده در آند در طی واکنش تکامل اکسیژن (OER) را از طریق یک مدار خارجی و صفحات دوقطبی{4}}نه خود یون-PEM رسانا- در حالی که پروتون‌ها برای واکنش تکامل هیدروژن (HER) به کاتد مهاجرت می‌کنند، ترسیم خواهیم کرد. تجزیه و تحلیل به صراحت نشان می دهد که چگونه ولتاژهای سلولی منفرد، شامل ولتاژ برگشت پذیر ترمودینامیکی، مازاد پتانسیل جنبشی و تلفات اهمی، به صورت خطی در یک پیکربندی پشته اضافه می شوند، در حالی که چگالی جریان ثابت می ماند. تسلط بر این مفاهیم اصلی حمل و نقل بار و مدارهای سری برای مهندسان و توسعه دهندگانی که هدفشان بهبود عملکرد پشته، کاهش مصرف انرژی خاص، و دستیابی به تولید هیدروژن مقرون به صرفه و با خلوص بالا است، ضروری است.

• در یک سلول PEM منفرد:

آند (سمت اکسیژن):

الکترون ها آزاد می شوند.

کاتد (سمت هیدروژن):

مسیر الکترونی:

آند ← مدار خارجی ← کاتد

این سرراست است.

• جزء کلیدی صفحه دوقطبی است.

صفحه دوقطبی دو وجه دارد:

یک طرف کاتد سلول N است

طرف دیگر آند سلول N است+1

و الکترون ها را بین آنها هدایت می کند.

✔ بنابراین مسیر الکترون در پشته تبدیل به:

الکترون از آند سلول 1

→ از طریق مدار خارجی / صفحه دوقطبی جریان می یابد

→ وارد آند سلول 2 می شود

→ به کاتد سلول 2 جریان می یابد

→ صفحه دوقطبی بعدی

→ آند سلول 3

→ … و غیره

الکترون ها از غشاء عبور نمی کنند (PEM فقط H+ را منتقل می کند نه e-).

بنابراین الکترون‌ها سلول را-به-در امتداد صفحات دوقطبی حرکت می‌دهند، نه از طریق الکترولیت.

• بله.

در اتصال سری، ولتاژها به صورت خطی اضافه می شوند:

اگر هر سلول با ولتاژ 0.7 ولت کار کند، یک پشته 3 سلولی است:

در سیستم‌های واقعی، تلفات را اضافه می‌کنید (اهمی، بیش‌پتانسیل، مقاومت تماس)، اما اصل باقی می‌ماند:

کل ولتاژ پشته ≈ (تعداد سلول) × (تک-ولتاژ سلول)

• بله.

در مدار سری:

جریان از طریق هر سلول یکسان است و توسط سلولی با ضعیف ترین عملکرد تعیین می شود.

بنابراین:

• ولتاژ اضافه می کند
• جریان ثابت می ماند

درست مثل باتری هایی که به صورت سری وصل شده اند.

در پشته الکترولایزر PEM، الکترون ها از کاتد یک سلول به آند سلول بعدی از طریق صفحات دوقطبی جریان می یابند. ولتاژ تمام سلول ها جمع می شود، در حالی که جریان پشته همان جریان در هر سلول جداگانه است.

اکنون تماس بگیرید