Quin és el paper dels intercanviadors de PTFE en el preescalfament de la matèria primera per als electròlitzadors d'hidrogen verd?

Un electrolitzador de membrana d'intercanvi de protons (PEM) és un dispositiu que divideix l'aigua en hidrogen i oxigen mitjançant una membrana de polímer fina, preciosa i molt sensible. L'aigua d'alimentació ha de ser molt pura i l'intercanviador de calor que escalfa l'aigua d'alimentació abans que entri a la pila no pot introduir una sola part-per-milió de milions d'ions metàl·lics que enverinen el catalitzador a la membrana. El control tèrmic no-contaminant d'aquest combustible verd és un intercanviador de PTFE. Amb el creixement de l'economia de l'hidrogen, el paper d'un intercanviador de calor de PTFE del qual depenen els sistemes d'electròlisi d'hidrogen verd esdevé fonamental per als dissenyadors de processos i els operadors de plantes.

Preescalfament del pas d'electròlisi PEM
L'aigua desionitzada ultrapura s'escalfa normalment entre 60 i 80 graus abans d'entrar a la pila d'electrolitzadors. La conductivitat iònica de la membrana augmenta amb l'augment de la temperatura de l'alimentació, provocant pèrdues ohmiques més baixes i una major eficiència energètica total. Aquest preescalfament es fa generalment amb una font de calor de baix grau, per exemple, el bucle de refrigeració de l'electròlitzador o la calor residual d'un procés aigües avall. L'intercanviador de calor en aquest bucle ha de transmetre l'energia tèrmica del fluid font al corrent d'aigua pura sense contaminar aquest últim.

Per què els intercanviadors de calor metàl·lics no funcionen
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 per a un funcionament fiable. Molts sistemes PEM apunten a 18 MΩ·cm, el límit teòric per a l'aigua ultrapura. Amb el temps, els intercanviadors de calor metàl·lics no poden mantenir aquesta puresa.

Solució de PTFE: tota la-construcció de fluoropolímers
Un intercanviador de calor de PTFE típic per a aquest servei és una unitat-i-tubular amb tota la-construcció de PTFE. Tant els tubs com la carcassa (o totes les superfícies mullades) estan fets de politetrafluoroetilè (PTFE) o un altre fluoropolímer com el PFA. Els dos costats dels tubs de PTFE estan mullats: l'aigua ultrapura flueix dins dels tubs i el medi de calefacció (per exemple, el refrigerant càlid del bucle de refrigeració de l'electrolític) flueix fora dels tubs al costat de la carcassa. La inercia química del PTFE significa que no s'alliberen ions metàl·lics, lixiviats orgànics o partícules al corrent d'aigua.

Compatibilitat tèrmica i mecànica
El PTFE està aprovat per a un ús continuat en condicions d'aigua fins a 80 graus. Això és totalment compatible amb el rang de preescalfament-de 60 a 80 graus per als electròlitzadors PEM. La superfície-antiadherent del material evita la producció de bio-pel·lícules o dipòsits d'incrustació sense haver d'utilitzar biocides. A més, les parets llises dels tubs asseguren una caiguda de pressió mínima i una fàcil neteja, si cal.

Nota de puresa: la necessitat d'un-bucle tancat, nitrogen-sistema d'aigua cobert
Un intercanviador de calor lliure de metalls per si mateix no és suficient per mantenir l'aigua d'entrada a una resistivitat de 18 MΩ*cm. Tot el llaç d'aigua des del desionitzador fins a la pila d'electrolitzadors i de tornada a través de l'intercanviador de calor ha de ser un sistema tancat i segellat, sense diòxid de carboni atmosfèric ni oxigen en contacte amb ell. El diòxid de carboni es dissol per fer àcid carbònic, que redueix la resistivitat i produeix ions carbonat. Per tant, un sistema d'electrolitzador d'hidrogen verd d'intercanviador de calor de PTFE s'incorpora generalment en un bucle de recirculació-cobert de nitrogen. L'espai de capçalera del dipòsit d'aigua es purga amb nitrogen d'alta puresa i tots els components mullats (tuberies, vàlvules, accessoris) estan revestits de fluoropolímer o fabricats amb materials inerts. L'intercanviador de PTFE compleix la seva funció sense afectar la qualitat de l'aigua ja protegida.

Beneficis operatius addicionals de l'intercanviador de PTFE en aquesta aplicació
No hi ha reaccions secundaries amb el catalitzador
A diferència de les superfícies metàl·liques que poden catalitzar la descomposició del peròxid d'hidrogen o l'ozó (subproductes de l'electròlisi), el PTFE és totalment passiu. Això evita la generació de radicals que podrien danyar la membrana.

Llarga vida útil amb aigua desmineralitzada
L'aigua desmineralitzada és hostil a molts metalls perquè elimina els recobriments protectors d'òxid. L'aigua d'alta resistivitat no té cap efecte sobre el PTFE, fins i tot a altes temperatures. L'intercanviador no requereix passivació ni descalcificació regular, estalviant costos de manteniment.

Disseny de carcassa flexible i resistent{0}}a la corrosió
El costat de la carcassa de l'intercanviador també pot estar fet de PTFE o un fluoropolímer reforçat de manera que el medi de calefacció pot ser un corrent de residus una mica contaminat o àcid sense risc de-fuga creuada. Si tinguéssiu una fuita de forat en un tub de PTFE, els dos fluids (tots dos basats en aigua) es barrejarien, però no hi hauria corrosió catastròfica ni contaminació dels fluids. Si es filtra un tub metàl·lic, introduïu ions instantàniament.

Conclusió.
El cor de la planta multimilionària d'hidrogen del futur està protegit per un modest bucle de tub de plàstic. El bucle de preescalfament de l'electrolític d'hidrogen verd de l'intercanviador de calor de PTFE garanteix la protecció de l'electrolitzador proporcionant aigua desionitzada ultrapura en el rang òptim de 60-80 graus, lliure de qualsevol contaminació metàl·lica que pugui enverinar la sensible membrana PEM. És una part crucial, però sovint ignorada, de la cadena de subministrament d'hidrogen verd, proporcionant a l'electròlitzador l'aigua neta i tèbia que necessita per a una vida llarga i productiva. El combustible més pur necessita l'equip de procés més net i els intercanviadors de PTFE donen exactament això.