Kakšna je vloga PTFE izmenjevalcev pri predgretju surovine za elektrolizerje zelenega vodika?

Elektrolizator s protonsko izmenjevalno membrano (PEM) je naprava, ki vodo razdeli na vodik in kisik z uporabo tanke, dragocene in zelo občutljive polimerne membrane. Napajalna voda mora biti zelo čista in izmenjevalnik toplote, ki segreva napajalno vodo, preden ta vstopi v dimnik, ne more vnesti niti enega dela-na-milijardo kovinskih ionov, ki bi zastrupili katalizator v membrani. Ne-toplotni vratar za to zeleno gorivo je PTFE izmenjevalec. Z rastjo vodikovega gospodarstva postane vloga toplotnega izmenjevalnika PTFE, od katere so odvisni sistemi zelene vodikove elektrolize, ključna za načrtovalce procesov in upravljavce obratov.

Predgretje koraka elektrolize PEM
Ultračista deionizirana voda se običajno segreje na 60–80 stopinj, preden vstopi v sklad elektrolizatorja. Ionska prevodnost membrane se poveča z naraščajočo temperaturo dovoda, kar vodi do nižjih ohmskih izgub in večje skupne energetske učinkovitosti. To predgretje se na splošno izvaja z nizko kakovostnim virom toplote, npr. hladilno zanko samega elektrolizatorja ali odpadno toploto iz nadaljnjega procesa. Toplotni izmenjevalnik v tej zanki je potreben za prenos toplotne energije iz izvorne tekočine v tok čiste vode, ne da bi slednjo onesnažil.

Zakaj kovinski izmenjevalniki toplote ne delujejo
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 za zanesljivo delovanje. Mnogi sistemi PEM ciljajo na 18 MΩ·cm, kar je teoretična meja za ultračisto vodo. Sčasoma kovinski izmenjevalniki toplote ne morejo ohraniti te čistosti.

PTFE rešitev: vsa-konstrukcija iz fluoropolimerov
Tipičen toplotni izmenjevalnik PTFE za to storitev je oklepna-in-cevna enota z vso-konstrukcijo PTFE. Tako cevi kot lupina (ali vse namočene površine) so narejene iz politetrafluoroetilena (PTFE) ali drugega fluoropolimera, kot je PFA. Obe strani PTFE cevi sta namočeni – izjemno čista voda teče znotraj cevi, grelni medij (npr. topla hladilna tekočina iz hladilne zanke elektrolizerja) pa teče zunaj cevi na strani ohišja. Kemična inertnost PTFE pomeni, da se v vodni tok ne sproščajo kovinski ioni, organske izcedne vode ali delci.

Toplotna in mehanska kompatibilnost
PTFE je odobren za stalno uporabo v pogojih vode do 80 stopinj. To je popolnoma združljivo z območjem pred-ogrevanja 60–80 stopinj za elektrolizerje PEM. Ne-oprijemljiva površina materiala preprečuje nastanek bio-filmov ali usedlin vodnega kamna, ne da bi morali uporabiti biocide. Poleg tega gladke stene cevi zagotavljajo minimalen padec tlaka in enostavno čiščenje, če je potrebno.

Opomba o čistosti: Potreba po zaprtem-zančnem,-vodnem sistemu z dušikom
Toplotni izmenjevalnik brez kovin sam po sebi ne zadošča za vzdrževanje upornosti vhodne vode 18 MΩ*cm. Celotna vodna zanka od deionizatorja do elektrolizatorja in nazaj preko toplotnega izmenjevalnika mora biti zaprt, zatesnjen sistem, brez stika z atmosferskim ogljikovim dioksidom ali kisikom. Ogljikov dioksid se raztopi, da nastane ogljikova kislina, ki zmanjša upornost in proizvaja karbonatne ione. Sistem zelenega vodikovega elektrolizatorja toplotnega izmenjevalnika PTFE je zato na splošno vgrajen v recirkulacijsko zanko-z dušikom. Prostor nad rezervoarjem za vodo je prečiščen z dušikom visoke čistosti in vse omočene komponente (cevi, ventili, priključki) so obložene s fluoropolimeri ali izdelane iz inertnih materialov. PTFE izmenjevalnik opravlja svojo nalogo brez vpliva na že tako zaščiteno kakovost vode.

Dodatne operativne prednosti PTFE izmenjevalnika v tej aplikaciji
Brez stranskih reakcij s katalizatorjem
Za razliko od kovinskih površin, ki lahko katalizirajo razgradnjo sledov vodikovega peroksida ali ozona (stranskih produktov elektrolize), je PTFE popolnoma pasiven. S tem preprečimo nastajanje radikalov, ki bi lahko poškodovali membrano.

Dolga življenjska doba z demineralizirano vodo
Demineralizirana voda je sovražna za mnoge kovine, ker odstrani zaščitne oksidne obloge. Visoka upornost vode ne vpliva na PTFE niti pri visokih temperaturah. Izmenjevalec ne zahteva pasivizacije ali rednega odstranjevanja vodnega kamna, kar prihrani stroške vzdrževanja.

Zasnova prožne lupine-odporne proti koroziji
Stran ohišja izmenjevalnika je lahko izdelana tudi iz PTFE ali ojačanega fluoropolimera, tako da je lahko grelni medij nekoliko onesnažen ali kisli tok odpadkov brez nevarnosti navzkrižnega-puščanja. Če bi v PTFE cevi puščala luknja, bi se tekočini (obe na vodni osnovi) mešali, vendar ne bi prišlo do katastrofalne korozije ali kontaminacije tekočin. Če kovinska cev pušča, takoj vnašate ione.

Zaključek.
Srce večmilijonske vodikove elektrarne prihodnosti je zaščiteno s skromno zanko iz plastične cevi. Zelena zanka za predgretje vodikovega elektrolizatorja toplotnega izmenjevalnika PTFE zagotavlja, da je elektrolizator zaščiten z dovajanjem ultra čiste deionizirane vode pri optimalnem območju 60-80 stopinj, brez kakršne koli kovinske kontaminacije, ki bi lahko zastrupila občutljivo membrano PEM. Je ključen, a pogosto prezrt del dobavne verige zelenega vodika, ki elektrolizerju zagotavlja čisto, toplo vodo, ki jo potrebuje za dolgo in produktivno življenjsko dobo. Najčistejše gorivo potrebuje najčistejšo procesno opremo – in PTFE izmenjevalci zagotavljajo prav to.