Izpratne par elektronu plūsmas un sprieguma summēšanas pamatprincipiem ir ļoti svarīga, lai optimizētu protonu apmaiņas membrānas (PEM) ūdens elektrolizatoru konstrukciju, efektivitāti un mērogojamību zaļā ūdeņraža ražošanai. Šajā rakstā ir sniegts skaidrs, sistemātisks elektrolītiskās strāvas ceļa un elektriskās uzvedības sadalījums, pretstatā viena membrānas elektrodu komplekta (MEA) darbībai rūpnieciskā -mēroga sērijveidā-savienota skursteņa darbībai. Mēs aprakstīsim, kā elektroni, kas atbrīvoti pie anoda skābekļa evolūcijas reakcijas (OER) laikā, tiek vadīti caur ārēju ķēdi un bipolārām plāksnēm -nevis pašu jonu-vadošo PEM-, kamēr protoni migrē uz katodu ūdeņraža evolūcijas reakcijai (HER). Analīze skaidri parādīs, kā atsevišķu elementu spriegumi, kas ietver termodinamisko atgriezenisko spriegumu, kinētiskos pārpotenciālus un omus zudumus, lineāri pievienojas kaudzes konfigurācijā, kamēr strāvas blīvums paliek nemainīgs. Šo lādiņu transportēšanas un sērijveida shēmu pamatjēdzienu apguve ir būtiska inženieriem un izstrādātājiem, kuru mērķis ir uzlabot skursteņa veiktspēju, samazināt īpatnējo enerģijas patēriņu un panākt rentablu, augstas{10}}tīrības pakāpes ūdeņraža ražošanu.
Kā elektroni pārvietojas vienā PEM elektrolizatora šūnā
- Vienā PEM šūnā:
Anods (skābekļa puse):
Elektroni tiek atbrīvoti.
Katods (ūdeņraža pusē):
Elektronu ceļš:
Anods → ārējā ķēde → katods
Tas ir vienkārši.
Kā elektroni pārvietojas, kad vairākas PEM šūnas ir savienotas virknē (steka)
- Galvenā sastāvdaļa ir bipolārā plāksne.
Bipolārajai plāksnei ir divas virsmas:
Viena puse ir šūnas N katods
Otra puse ir šūnas N+1 anods
Un tas vada elektronus starp tiem.
✔ Tātad elektronu ceļš kaudzē kļūst:
Elektrons no 1. šūnas anoda
→ plūst caur ārējo ķēdi / bipolāru plāksni
→ nonāk 2. šūnas anodā
→ plūst uz Cell 2 katodu
→ nākamā bipolārā plāksne
→ Šūnas 3 anods
→ … un tā tālāk
Elektroni NAV iet cauri membrānai (PEM transportē tikai H⁺, nevis e⁻).
Tātad elektroni pārvieto šūnu{0}}uz-šūnu pa bipolārajām plāksnēm, nevis caur elektrolītu.
Vai katras šūnas spriegums vienkārši palielinās?
- Jā.
Virknes savienojumā spriegumi tiek pievienoti lineāri:
Ja katra šūna darbojas ar 0,7 V spriegumu, tad 3 šūnu steks ir:
Reālajās sistēmās tiek pievienoti zudumi (omi, pārpotenciāls, kontakta pretestība), bet princips paliek:
Kopējais skursteņa spriegums ≈ (elementu skaits) × (viena-elementa spriegums)
Vai strāva paliek vienāda visām šūnām?
- Jā.
Sērijas ķēdē:
Strāva ir vienāda katrā šūnā, un to nosaka šūna ar vājāko veiktspēju.
Tātad:
- Spriegums piebilst
- Strāva paliek tāda pati
Tāpat kā sērijveidā savienotas baterijas.
Kopsavilkums
PEM elektrolizatora skurstenī elektroni plūst no vienas šūnas katoda uz nākamās šūnas anodu caur bipolārajām plāksnēm. Visu šūnu spriegumi summējas, savukārt kaudzes strāva ir tāda pati kā strāva katrā atsevišķā šūnā.
