Каква е ролята на PTFE топлообменниците при предварителното нагряване на суровината за зелени водородни електролизатори?

Електролизаторът с протонна обменна мембрана (PEM) е устройство, което разделя водата на водород и кислород, като използва тънка, ценна и много чувствителна полимерна мембрана. Захранващата вода трябва да е много чиста и топлообменникът, който загрява захранващата вода, преди да влезе в комина, не може да въведе нито една част-на-милиард метални йони, които биха отровили катализатора в мембраната. Не-замърсяващият термичен пазач за това екологично гориво е PTFE обменник. С разрастването на водородната икономика ролята на PTFE топлообменника, от която зависят системите за зелен водороден електролизер, става критична за проектантите на процеси и операторите на инсталации.

Предварително загряване на етапа на PEM електролиза
Свръхчистата дейонизирана вода обикновено се затопля до 60–80 градуса, преди да влезе в електролизера. Йонната проводимост на мембраната се увеличава с повишаване на температурата на захранването, което води до по-ниски омични загуби и по-висока обща енергийна ефективност. Това предварително загряване обикновено се извършва с нискокачествен източник на топлина, например охлаждащата верига на самия електролизер или отпадна топлина от процес надолу по веригата. Топлообменникът в този контур е необходим за предаване на топлинна енергия от изходния флуид към потока чиста вода, без да замърсява последния.

Защо металните топлообменници не работят
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 за надеждна работа. Много PEM системи се стремят към 18 MΩ·cm, теоретичната граница за свръхчиста вода. С течение на времето металните топлообменници не могат да поддържат тази чистота.

PTFE решение: Изцяло-флуорополимерна конструкция
Типичен PTFE топлообменник за тази услуга е кожухотрубен-и-тръбен модул с изцяло-PTFE конструкция. Както тръбите, така и обвивката (или всички намокрени повърхности) са направени от политетрафлуоретилен (PTFE) или друг флуорополимер като PFA. Двете страни на PTFE тръбите са намокрени – ултрачистата вода тече вътре в тръбите, а нагревателната среда (напр. топла охлаждаща течност от охлаждащия контур на електролизера) тече извън тръбите в страната на корпуса. Химическата инертност на PTFE означава, че във водния поток не се освобождават метални йони, органични инфилтрати или частици.

Термична и механична съвместимост
PTFE е одобрен за продължителна употреба при водни условия до 80 градуса. Това е напълно съвместимо с диапазона на предварително нагряване от 60–80 градуса за PEM електролизатори. Незалепващата повърхност на материала предотвратява производството на био-филми или отлагания от котлен камък, без да се налага използването на биоциди. Освен това гладките стени на тръбите осигуряват минимален спад на налягането и лесно почистване, ако е необходимо.

Бележка за чистота: Необходимостта от затворен-кръг, азотна-водна система
Топлообменник без метал сам по себе си не е достатъчен, за да поддържа входящата вода при съпротивление от 18 MΩ*cm. Целият воден кръг от дейонизатора до електролизера и обратно през топлообменника трябва да бъде затворена, запечатана система, без атмосферен въглероден диоксид или кислород в контакт с нея. Въглеродният диоксид се разтваря, за да се получи въглеродна киселина, която намалява съпротивлението и произвежда карбонатни йони. Поради това PTFE топлообменник със зелена водородна електролизерна система обикновено се включва в рециркулационен кръг с азотна-завивка. Горното пространство на водния резервоар се продухва с азот с висока чистота и всички намокрени компоненти (тръбопроводи, клапани, фитинги) са облицовани с флуорополимер или са произведени от инертни материали. PTFE топлообменникът изпълнява своите задължения, без да засяга вече защитеното качество на водата.

Допълнителни оперативни предимства на PTFE обменника в това приложение
Няма странични реакции с катализатора
За разлика от металните повърхности, които могат да катализират разграждането на следи от водороден пероксид или озон (странични продукти от електролизата), PTFE е напълно пасивен. Това избягва генерирането на радикали, които биха могли да навредят на мембраната.

Дълъг експлоатационен живот с деминерализирана вода
Деминерализираната вода е враждебна към много метали, тъй като премахва защитните оксидни покрития. Водата с високо съпротивление няма ефект върху PTFE дори при високи температури. Топлообменникът не изисква пасивиране или редовно отстраняване на накип, което спестява разходи за поддръжка.

Дизайн на гъвкава, устойчива-на корозия обвивка
Страната на корпуса на топлообменника може също да бъде направена от PTFE или подсилен флуорополимер, така че нагревателната среда да бъде донякъде замърсен или киселинен отпадъчен поток без риск от кръстосано -изтичане. Ако сте имали изтичане на дупка в PTFE тръба, двете течности (и двете на водна основа) ще се смесят, но няма да има катастрофална корозия или замърсяване на течностите. Ако метална тръба изтече, вие незабавно въвеждате йони.

Заключение.
Сърцето на многомилионната водородна централа на бъдещето е защитено от скромна примка от пластмасова тръба. Зелената верига за предварително нагряване на електролизера на топлообменника от PTFE гарантира, че електролизаторът е защитен чрез доставяне на ултрачиста дейонизирана вода в оптималния диапазон от 60-80 градуса, без каквото и да е метално замърсяване, което може да отрови чувствителната PEM мембрана. Това е важна, но често пренебрегвана част от веригата за доставки на зелен водород, осигуряваща на електролизера чистата, топла вода, необходима за дълъг и продуктивен живот. Най-чистото гориво се нуждае от най-чистото технологично оборудване - и PTFE топлообменниците дават точно това.