グリーン水素電解装置の原料を予熱する際の PTFE 交換体の役割は何ですか?

プロトン交換膜 (PEM) 電解装置は、薄く貴重で非常に感度の高いポリマー膜を利用して水を水素と酸素に分割する装置です。給水は非常に純粋である必要があり、スタックに入る前に給水を加熱する熱交換器では、膜内の触媒を損傷する可能性のある金属イオンを 10 億分の 1 も導入することはできません。このグリーン燃料の非汚染熱ゲートキーパーは PTFE 熱交換器です。-水素経済の成長に伴い、グリーン水素電解システムが依存する PTFE 熱交換器の役割は、プロセス設計者やプラントオペレーターにとって重要になっています。

PEM電解工程の予熱
超純度の脱イオン水は通常、電解槽スタックに入る前に 60 ～ 80 度に温められます。膜のイオン伝導率は原料の温度が上昇するにつれて増加し、抵抗損失が低下し、総エネルギー効率が向上します。この予熱は通常、電解槽自体の冷却ループや下流プロセスからの廃熱などの低級熱源を使用して行われます。このループ内の熱交換器は、ソース流体から純水流を汚染することなく熱エネルギーを純水流に伝達する必要があります。

金属製熱交換器が機能しない理由
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 >1MΩ・cmで安心動作。多くの PEM システムは、超純水の理論上の限界である 18 MΩ・cm を目標としています。時間の経過とともに、金属製熱交換器はこの純度を維持できなくなります。

PTFE ソリューション: 全-フッ素ポリマー構造
このサービス用の一般的な PTFE 熱交換器は、すべて PTFE 構造のシェル-および-ユニットです。-チューブとシェル (またはすべての接液面) は両方とも、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) または PFA などの他のフルオロポリマーで作られています。 PTFE チューブの両側は濡れています。超純水はチューブの内側を流れ、加熱媒体 (電解槽の冷却ループからの温かい冷却液など) はチューブの外側のシェル側を流れます。 PTFE は化学的に不活性であるため、金属イオン、有機浸出液、粒子が水流に放出されません。

熱的および機械的適合性
PTFE は、80 度までの水条件での連続使用が承認されています。これは、PEM 電解槽の 60 ～ 80 度の予熱範囲と完全に互換性があります。-材料の非粘着性の表面により、殺生物剤を使用することなく、バイオフィルムやスケール堆積物の生成を回避できます。-さらに、滑らかなチューブ壁により圧力損失が最小限に抑えられ、必要に応じて簡単に掃除できます。

純度に関する注意事項: 閉ループ、窒素-のブランケット水システムの必要性
メタルフリーの熱交換器だけでは、入力水を 18 MΩ*cm の抵抗率に維持するのに十分ではありません。脱イオン装置から電解槽スタック、そして熱交換器を経由して戻る水ループ全体は、大気中の二酸化炭素や酸素が接触しない、密閉されたシステムでなければなりません。二酸化炭素は溶解して炭酸を生成し、これにより抵抗率が低下し、炭酸イオンが生成されます。したがって、PTFE 熱交換器グリーン水素電解システムは、通常、窒素-で覆われた再循環ループに組み込まれます。貯水器のヘッドスペースは高純度窒素でパージされ、すべての接液コンポーネント (配管、バルブ、継手) はフッ素ポリマーで裏打ちされているか、不活性材料で製造されています。 PTFE 交換器は、すでに保護されている水質に影響を与えることなくその役割を果たします。

このアプリケーションにおける PTFE エクスチェンジャーの追加の運用上の利点
触媒による副反応がありません
微量の過酸化水素やオゾン (電気分解の副産物) の分解を触媒する可能性のある金属表面とは異なり、PTFE は完全に不動態です。これにより、膜に損傷を与える可能性のあるラジカルの生成が回避されます。

脱塩水による長寿命
脱塩水は保護酸化被膜を除去してしまうため、多くの金属に対して有害です。高抵抗の水は、高温でも PTFE に影響を与えません。熱交換器には不動態化や定期的なスケール除去が不要なため、メンテナンスコストが節約されます。

柔軟で耐食性のあるシェルの設計-
熱交換器のシェル側も PTFE または強化フルオロポリマーでできており、交差漏れの危険なしに加熱媒体が多少汚染されているか酸性の廃棄物流であっても大丈夫です。{0}} PTFE チューブにピンホール漏れがあった場合、2 つの流体 (両方とも水ベース) が混合しますが、流体の壊滅的な腐食や汚染は発生しません。金属チューブに漏れがあれば、即座にイオンが導入されてしまいます。

結論。
将来の数百万ドル規模の水素プラントの中心部は、プラスチック チューブのささやかなループによって保護されています。 PTFE 熱交換器のグリーン水素電解槽の予熱ループは、最適な 60- 80 度の範囲で超純度の脱イオン水を供給することで電解槽を保護し、敏感な PEM 膜を損傷する可能性のある金属汚染を防ぎます。これはグリーン水素サプライチェーンの重要な部分ですが、無視されることが多く、長く生産的な寿命に必要なきれいな温水を電解槽に提供します。最も純粋な燃料には最もクリーンなプロセス装置が必要であり、PTFE 交換装置がまさにそれを実現します。