Hvad er PTFE-vekslernes rolle i forvarmning af råmateriale til grønne brintelektrolysere?

En Proton Exchange Membrane (PEM) elektrolysator er en enhed, der deler vand i brint og oxygen ved hjælp af en tynd, kostbar og meget følsom polymermembran. Fødevandet skal være meget rent, og varmeveksleren, der opvarmer fødevandet, før det kommer ind i stakken, kan ikke indføre en enkelt del-per-milliard metalioner, der ville forgifte katalysatoren i membranen. Den ikke-forurenende termiske gatekeeper for dette grønne brændstof er en PTFE-veksler. Med væksten i brintøkonomien bliver rollen som en PTFE varmeveksler afhængig af grønne brintelektrolysesystemer kritisk for procesdesignere og anlægsoperatører.

Forvarmning af PEM-elektrolysetrin
Det ultrarene deioniserede vand opvarmes normalt til 60-80 grader, før det kommer ind i elektrolysestakken. Membranens ioniske ledningsevne stiger med stigende temperatur af føden, hvilket fører til lavere ohmske tab og højere total energieffektivitet. Denne forvarmning udføres generelt med en varmekilde af lav kvalitet, f.eks. kølekredsløbet i selve elektrolysatoren eller spildvarme fra en nedstrømsproces. Varmeveksleren i denne sløjfe skal overføre termisk energi fra kildevæsken til den rene vandstrøm uden at forurene sidstnævnte.

Hvorfor metalvarmevekslere ikke virker
Metallic heat exchangers (stainless steel, copper, titanium) will always release trace metal ions to the water by corrosion, erosion or diffusion. The membrane and its catalyst layer in a PEM electrolyzer are very susceptible to ionic contamination. Metal ions (iron, chromium, nickel, copper, etc.) may penetrate the membrane, stimulate breakdown events and irreversibly decrease the proton conductivity. Even parts‐per‐billion metal poisoning reduces membrane life from years to months . PEM operation requires feed water resistivity of >1 MΩ·cm for pålidelig drift. Mange PEM-systemer sigter på 18 MΩ·cm, den teoretiske grænse for ultrarent vand. Over tid kan metalliske varmevekslere ikke opretholde denne renhed.

PTFE-løsning: Alle-fluorpolymerkonstruktioner
En typisk PTFE-varmeveksler til denne tjeneste er en skal-og-rørenhed med al-PTFE-konstruktion. Både rørene og skallen (eller alle våde overflader) er lavet af polytetrafluorethylen (PTFE) eller anden fluorpolymer såsom PFA. Begge sider af PTFE-rørene vædes – det ultrarene vand strømmer inde i rørene, og varmemediet (f.eks. varmt kølemiddel fra elektrolysørens kølekredsløb) strømmer uden for rørene i skalsiden. Den kemiske inerthed af PTFE betyder, at ingen metalioner, organiske perkolater eller partikler frigives til vandstrømmen.

Termisk og mekanisk kompatibilitet
PTFE er godkendt til kontinuerlig brug i vandforhold op til 80 grader. Dette er fuldt kompatibelt med 60-80 graders for-forvarmningsområde for PEM-elektrolysatorer. Materialets non-klæbende overflade undgår produktion af bio-film eller skælaflejringer uden at skulle bruge biocider. Desuden sikrer glatte rørvægge minimalt trykfald og nem rengøring, hvis det er nødvendigt.

Renhedsnote: Behovet for et lukket-sløjfe, nitrogen-vandsystem
En metalfri varmeveksler i sig selv er ikke nok til at holde indgangsvandet på en modstand på 18 MΩ*cm. Hele vandsløjfen fra deionisator til elektrolyseapparatstak og tilbage via varmeveksleren skal være et lukket, forseglet system, uden atmosfærisk kuldioxid eller oxygen, der kommer i kontakt med det. Kuldioxid opløses for at lave kulsyre, som reducerer resistiviteten og producerer carbonationer. Et PTFE varmeveksler grønt brint elektrolysesystem er derfor generelt inkorporeret i en nitrogen-dækket recirkulationssløjfe. Vandreservoirets headspace renses med nitrogen med høj renhed, og alle fugtede komponenter (rør, ventiler, fittings) er foret med fluorpolymer eller fremstillet af inerte materialer. PTFE-veksleren udfører sin pligt uden at påvirke den allerede sikrede vandkvalitet.

Yderligere driftsmæssige fordele ved PTFE-veksler i denne applikation
Ingen sidereaktioner med katalysatoren
I modsætning til metaloverflader, der kan katalysere nedbrydning af spor af hydrogenperoxid eller ozon (biprodukter fra elektrolyse), er PTFE fuldstændig passiv. Dette undgår dannelsen af ​​radikaler, der kan skade membranen.

Lang levetid med demineraliseret vand
Demineraliseret vand er fjendtligt over for mange metaller, fordi det fjerner beskyttende oxidbelægninger. Vand med høj resistivitet har ingen effekt på PTFE, selv ved høje temperaturer. Veksleren kræver ingen passivering eller regelmæssig afkalkning, hvilket sparer vedligeholdelsesomkostninger.

Design af fleksibel, korrosionsbestandig-skal
Skalsiden af ​​veksleren kan også være lavet af PTFE eller en forstærket fluorpolymer, således at opvarmningsmediet kan være en noget forurenet eller sur affaldsstrøm uden risiko for kryds-lækage. Hvis du havde en lækage i et PTFE-rør, ville de to væsker (begge vandbaserede) blandes, men der ville ikke være nogen katastrofal korrosion eller forurening af væskerne. Hvis et metalrør lækker, introducerer du øjeblikkeligt ioner.

Konklusion.
Hjertet af fremtidens brintfabrik på mange millioner dollar er beskyttet af en beskeden løkke af plastikrør. PTFE-varmevekslerens grønne brintelektrolysator-forvarmesløjfe sikrer, at elektrolysatoren er beskyttet ved at levere ultrarent deioniseret vand i det optimale 60-80 graders område, fri for enhver metalforurening, der kan forgifte den følsomme PEM-membran. Det er en afgørende, men ofte ignoreret del af den grønne brintforsyningskæde, der forsyner elektrolysatoren med det rene, varme vand, den kræver for et langt og produktivt liv. Det reneste brændstof har brug for det reneste procesudstyr - og PTFE-vekslere giver netop det.