Vesielektrolüsaator vesiniku jaoks

Elektrolüüs on paljutõotav võimalus süsinikuvabaks vesiniku tootmiseks taastuvatest ja tuumaressurssidest. Elektrolüüs on protsess, mille käigus kasutatakse elektrit vee jagamiseks vesinikuks ja hapnikuks. See reaktsioon toimub seadmes, mida nimetatakse elektrolüsaatoriks. Elektrolüsaatorid võivad olla erineva suurusega alates väikestest seadmesuurustest seadmetest, mis sobivad hästi väikesemahuliseks hajutatud vesiniku tootmiseks, kuni suuremahuliste kesksete tootmisseadmeteni, mida saab ühendada otse taastuvenergia või muude kasvuhoonegaase mitte tekitavate energiaallikatega. elektri tootmine.

Kuidas see töötab
Sarnaselt kütuseelementidega koosnevad elektrolüsaatorid anoodist ja katoodist, mis on eraldatud elektrolüüdiga. Erinevad elektrolüsaatorid toimivad erineval viisil, peamiselt erinevat tüüpi elektrolüütide materjali ja selles kasutatavate ioonliikide tõttu.

Polümeerelektrolüütmembraaniga elektrolüsaatorid
Polümeerelektrolüütmembraani (PEM) elektrolüsaatoris on elektrolüüt tahke spetsiaalne plastmaterjal.

Vesi reageerib anoodil, moodustades hapnikku ja positiivselt laetud vesinikioone (prootoneid).
Elektronid voolavad läbi välise vooluringi ja vesinikuioonid liiguvad valikuliselt üle PEM-i katoodile.
Katoodil ühinevad vesinikuioonid välise ahela elektronidega, moodustades gaasilise vesiniku. Anoodi reaktsioon: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-katoodireaktsioon: 4H+ + 4e- → 2H2

Leeliselised elektrolüsaatorid
Leeliselised elektrolüsaatorid töötavad hüdroksiidioonide (OH-) transpordi kaudu läbi elektrolüüdi katoodilt anoodile, kusjuures katoodi poolel tekib vesinik. Elektrolüsaatorid, mis kasutavad elektrolüüdina vedelat leeliselist naatrium- või kaaliumhüdroksiidi lahust, on olnud kaubanduslikult saadaval juba aastaid. Uuemad lähenemisviisid, mis kasutavad elektrolüüdina tahkeid leelisevahetusmembraane (AEM), on labori skaalal paljulubavad.

Tahkeoksiidi elektrolüsaatorid
Tahkeoksiidelektrolüüsaatorid, mis kasutavad elektrolüüdina tahket keraamilist materjali, mis juhib kõrgemal temperatuuril valikuliselt negatiivselt laetud hapnikuioone (O2-), genereerivad vesinikku veidi erineval viisil.
Katoodil olev aur ühineb välise ahela elektronidega, moodustades gaasilise vesiniku ja negatiivse laenguga hapnikuioone.
Hapnikuioonid läbivad tahke keraamilise membraani ja reageerivad anoodil, moodustades hapnikugaasi ja genereerides elektrone välise vooluringi jaoks.
Tahkeoksiidi elektrolüsaatorid peavad töötama piisavalt kõrgetel temperatuuridel, et tahkeoksiidmembraanid korralikult toimiksid (umbes 700–800 kraadi, võrreldes PEM-elektrolüüsaatoritega, mis töötavad temperatuuril 70–90 kraadi, ja kaubanduslike leeliseliste elektrolüüsiritega, mis töötavad tavaliselt madalamal kui 100 kraadi). Prootonit juhtivatel keraamilistel elektrolüütidel põhinevad täiustatud laboratoorsed tahke oksiidelektrolüüsaatorid näitavad lubadust alandada töötemperatuuri 500–600 kraadini. Tahkeoksiidi elektrolüsaatorid saavad tõhusalt kasutada nendel kõrgetel temperatuuridel saadaolevat soojust (mitmesugustest allikatest, sealhulgas tuumaenergiast), et vähendada veest vesiniku tootmiseks vajaliku elektrienergia hulka.

Miks seda teed kaalutakse?
Elektrolüüs on juhtiv vesiniku tootmisviis, mille abil saavutada Hydrogen Energy Earthshot eesmärk – vähendada puhta vesiniku hinda 80% võrra 1 dollarile 1 kilogrammi kohta kümne aasta jooksul ("1 1 1"). Elektrolüüsi teel toodetud vesinik võib sõltuvalt kasutatavast elektrienergia allikast põhjustada kasvuhoonegaaside heitkoguseid nulli. Elektrolüüsi teel vesiniku tootmise eeliste ja majandusliku tasuvuse hindamisel tuleb arvestada vajaliku elektrienergia allikat, sealhulgas selle maksumust ja efektiivsust, samuti elektritootmisest tulenevaid heitmeid. Paljudes riigi piirkondades ei ole tänane elektrivõrk elektrolüüsiks vajaliku elektrienergia tagamiseks ideaalne, kuna eralduvad kasvuhoonegaasid ja elektritootmisprotsessi madala efektiivsuse tõttu on vaja kütust. Elektrolüüsi teel vesinikku toodetakse taastuvenergia (tuule-, päikese-, hüdro-, geotermiline) ja tuumaenergia jaoks. Nende vesiniku tootmisviiside tulemuseks on kasvuhoonegaaside ja saasteainete heitkogused praktiliselt null; tootmiskulusid tuleb aga märkimisväärselt vähendada, et olla konkurentsivõimelisem küpsemate süsinikupõhiste meetoditega, nagu maagaasi reformimine.

Potentsiaalne sünergia taastuvenergia elektritootmisega
Vesiniku tootmine elektrolüüsi teel võib pakkuda võimalusi sünergiaks dünaamilise ja katkendliku elektritootmisega, mis on iseloomulik mõnele taastuvenergia tehnoloogiale. Näiteks kuigi tuuleenergia hind on jätkuvalt langenud, takistab tuule loomupärane muutlikkus tuuleenergia tõhusat kasutamist. Vesinikkütuse ja elektrienergia tootmine võiks olla integreeritud tuuleparki, mis võimaldab paindlikult tootmist suunata nii, et see vastaks kõige paremini ressursside kättesaadavusele süsteemi töövajaduste ja turuteguritega. Samuti on tuuleparkidest ülemäärase elektritootmise ajal võimalik elektrienergia tavapärase piiramise asemel kasutada seda üleliigset elektrienergiat elektrolüüsi teel vesiniku tootmiseks.

Oluline on märkida...
Tänapäeva võrguelekter ei ole elektrolüüsi jaoks ideaalne elektriallikas, sest suurem osa elektrist toodetakse tehnoloogiate abil, mille tulemuseks on kasvuhoonegaaside heitkogused ja mis on energiamahukad. Elektrienergia tootmine, kasutades taastuv- või tuumaenergiatehnoloogiaid, kas võrgust eraldiseisvana või kasvava osana võrgust, on võimalik võimalus ületada need piirangud vesiniku tootmisel elektrolüüsi teel.

Elektrolüüsiprotsessis toimub korraga kaks erinevat ionisatsiooniprotsessi. Sel juhul konkureerivad nii vesi kui elektrolüüt.

Elektrolüüt läbib sama ionisatsiooniprotsessi nagu vesi. Sama oksüdatsioon ja redutseerimine toimuks elektrolüüdis.
Kuna elektrolüüdi anioon konkureerib hüdroksiidioonidega, et loobuda elektronist, ja katioon konkureerib vesinikuiooniga, et redutseerida elektroni vastuvõtmisega, tuleb elektrolüüt valida ettevaatlikult.

Elektrolüüdi katioonil peab olema väiksem elektroodipotentsiaal kui H+. Pidage alati meeles, et iga elektrolüüsi puhul peaks elektrolüüdi katiooni elektroodipotentsiaal olema väiksem kui elektrolüüsitava aine katiooni elektroodipotentsiaal ja elektrolüüdi aniooni elektroodipotentsiaal peaks olema suurem kui aniooni elektroodipotentsiaal. elektrolüüsitav aine.

Rohelise vesiniku tootmine taastuvate energiaallikate abil on tekitanud piisavalt huvi vee elektrolüüsi vastu vesiniku tootmiseks. Vee elektrolüüsi, kasutades taastuvaid energiaallikaid ilma CO2-heiteta, peetakse paljulubavaks meetodiks vesiniku tootmise kiiruse suurendamiseks. 2020. aastal toodeti maailmas ligikaudu 87 miljonit tonni vesinikku erinevatel eesmärkidel, sealhulgas nafta rafineerimiseks, ammoniaagi (NH3) (Haberi protsessi kaudu) ja metanooli (CH3OH) tootmiseks (süsinikmonooksiidi [CO] redutseerimise teel) transpordikütus. Eeldatakse, et nõudlus vesiniku järele ulatub 2050. aastaks 500-680 miljoni tonnini. Vesinikutootmise turu väärtuseks hinnati aastatel 2020–2021 130 miljardit dollarit ja see peaks 2030. aastaks kasvama 9,2% aastas. Kuid sellel on konks: üle 95% praegusest vesinikutoodangust põhineb fossiilkütustel, kusjuures väga vähe on "rohelist". Tänapäeval tarbib vesiniku tootmine 6% maailma maagaasist ja 2% kogu maailmas toodetavast kivisöest. Sellest hoolimata on rohelised vesiniku tootmise tehnoloogiad populaarsust kogumas.

Elektrolüüs on protsess, mis kasutab elektrit vee jagamiseks H2-ks ja O2-ks. Elekter on elektronide voog läbi juhtiva tee, näiteks juhtme. Seda teed tuntakse vooluringina. Elektronid liiguvad anoodi ja katoodi vahelise elektripotentsiaali erinevuse tõttu. Anoodil on rohkem elektrone ja see on elektronide tõrjumise tõttu ebastabiilsem. Elektronid tahavad erinevuse kõrvaldamiseks end ümber korraldada. Elektronid tõrjuvad üksteist ja püüavad liikuda kohta, kus on vähem elektrone. See on katood.
Kuna puhas vesi ei juhi elektrit, on vee lõhenemine aeglane redoksreaktsioon.

Keemia
Elektrolüsaatoris on toiteallikaga ühendatud üks katood ja üks anood. Elektronid voolavad alati anoodilt katoodile, hoolimata sellest. Katood on alati seal, kus toimub redutseerimine, seetõttu peavad seal olema elektronid. Oksüdatsioon on elektronide kadu ja redutseerimine elektronide juurdekasv.
Lühidalt, negatiivselt laetud katoodil toimub redutseerimisreaktsioon, kus elektronid (e-) katoodist antakse vesinikkatioonidele, et moodustada vesinikgaas
Katood (redutseerimine):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Positiivselt laetud anoodil toimub oksüdatsioonireaktsioon, mis tekitab gaasi hapnikku ja annab anoodile elektronid vooluringi lõpuleviimiseks
Anood (oksüdatsioon): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Nende reaktsioonide kombinatsioon annab:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Katoodil toodetakse H2 ja anoodil O2.
Vee elektrolüüsiks on vaja minimaalset potentsiaalide erinevust 1,23 volti, kuigi sellel pingel on vaja keskkonnast välist soojust.

Vee elektrolüüsi bipolaarsed elemendivirnad koosnevad paljudest üksikutest elektrokeemilistest rakkudest elektriseerias. Praktikas võivad äsja peatatud vee elektrolüüsi elemendid säilitada märkimisväärse elektrilaengu igasse rakku jääva vesiniku ja hapniku tõttu. Üksi jättes võib selle järelejäänud elektrokeemilise laengu hajumiseks kuluda mitu tundi. Süsteemi hooldus- ja hoolduspersonal peab olema äärmise ettevaatlik, kui nad üritavad neid rakupakke varsti pärast töötamist hooldada või asendada. Näiteks võib metallist tööriist, nagu mutrivõti, tahtmatult ületada tühimiku elemendivirna positiivse voolu klemmiplaadi ja maandatud metallist tugiraami vahel, tekitades suure voolu või elektrikaare, mille tagajärjeks on kahjustused ja vigastused. Ohus on ka töötajad, kes ei kanna sobivat isoleerivat kaitsevarustust.

Hooldus- ja teeninduspersonali parimaks tavaks on enne kaitsepiirete ja elektriühenduste eemaldamist elemendivirnast veenduda, et elementi ei jääks märkimisväärset elektrilaengut. Töötajatel soovitatakse mõõta elemendi pinu pinget, et kontrollida, kas elemendivirn on tühjenenud. Mõningatel juhtudel võivad teeninduspersonalid täiendava kaitsemeetmena kasutada ka korralikult kavandatud hooldustööriista, mis koosneb suure vooluga lühistakistist kogu tühjenenud elemendivirnas.

Tooteid müüakse kõigis Hiina piirkondades ja eksporditakse riikidesse üle maailma. Neid on müüdud enam kui 20 riigis ja piirkonnas, sealhulgas Ameerika Ühendriikides, Saksamaal, Marokos, Keenias, Saudi Araabias, Vietnamis, Alžeerias, Indias, Tansaanias ja Taiwanis. Edukalt pakuti selliseid tuntud ettevõtteid nagu China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ja teised tuntud ettevõtted. Seal on palju rohelisi vesiniku hüdrogeenimisjaamu, nagu Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming jne. pakuvad rohelisi ja vesiniku tootmise projekte.