Víz elektrolizáló hidrogénhez

Az elektrolízis ígéretes lehetőség a megújuló és nukleáris erőforrásokból származó szénmentes hidrogén előállítására. Az elektrolízis az a folyamat, amikor elektromos áramot használnak a víz hidrogénre és oxigénre történő felosztására. Ez a reakció egy elektrolizáló egységben játszódik le. Az elektrolizátorok mérete a kisméretű, kisüzemi, elosztott hidrogéntermelésre jól használható készülék méretű berendezésektől a nagyüzemi, központi termelési létesítményekig terjedhet, amelyek közvetlenül kapcsolhatók a megújuló vagy más, üvegházhatású gázt nem kibocsátó formákhoz. villamosenergia-termelés.

Hogyan működik
Az üzemanyagcellákhoz hasonlóan az elektrolizátorok is egy anódból és egy elektrolittal elválasztott katódból állnak. A különböző elektrolizátorok eltérő módon működnek, főként a különböző típusú elektrolit anyagok és az általuk vezetett ionfajták miatt.

Polimer elektrolit membrán elektrolizátorok
A polimer elektrolit membrán (PEM) elektrolizátorban az elektrolit szilárd speciális műanyag.

A víz az anódon reagál oxigént és pozitív töltésű hidrogénionokat (protonokat) képezve.
Az elektronok egy külső áramkörön keresztül áramlanak, és a hidrogénionok szelektíven mozognak a PEM-en keresztül a katódra.
A katódon a hidrogénionok a külső áramkör elektronjaival egyesülve hidrogéngázt képeznek. Anódreakció: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katód reakció: 4H+ + 4e- → 2H2

Lúgos elektrolizátorok
Az alkáli elektrolizátorok hidroxid ionok (OH-) transzportján keresztül működnek az elektroliton keresztül a katódtól az anódig, miközben a katód oldalon hidrogén keletkezik. A nátrium- vagy kálium-hidroxid folyékony lúgos oldatát elektrolitként használó elektrolizátorok évek óta kaphatók a kereskedelemben. A szilárd alkáli cserélő membránokat (AEM) elektrolitként alkalmazó újabb megközelítések ígéretesek a laboratóriumi skálán.

Szilárd oxidos elektrolizátorok
A szilárd oxidos elektrolizátorok, amelyek szilárd kerámiaanyagot használnak elektrolitként, amely magas hőmérsékleten szelektíven vezeti a negatív töltésű oxigénionokat (O2-), kissé eltérő módon állítják elő a hidrogént.
A katódon lévő gőz egyesül a külső áramkör elektronjaival hidrogéngázt és negatív töltésű oxigénionokat képezve.
Az oxigénionok áthaladnak a szilárd kerámia membránon, és az anódon reagálva oxigéngázt képeznek, és elektronokat generálnak a külső áramkör számára.
A szilárd oxidos elektrolizátoroknak elég magas hőmérsékleten kell működniük ahhoz, hogy a szilárd oxid membránok megfelelően működjenek (körülbelül 700-800 fok, szemben a PEM elektrolizátorokkal, amelyek 70-90 fokon működnek, és a kereskedelmi lúgos elektrolizátorokkal, amelyek általában kevesebb, mint 100 fok). A protonvezető kerámia elektrolitokon alapuló, továbbfejlesztett laboratóriumi méretű szilárd oxid elektrolizátorok ígéretesnek bizonyulnak az üzemi hőmérséklet 500-600 fok közötti csökkentésében. A szilárd oxidos elektrolizátorok hatékonyan tudják felhasználni az ilyen magas hőmérsékleten elérhető hőt (különböző forrásokból, beleértve az atomenergiát is), hogy csökkentsék a hidrogén vízből történő előállításához szükséges elektromos energia mennyiségét.

Miért veszik figyelembe ezt az utat?
Az elektrolízis a vezető hidrogéntermelési módszer a Hydrogen Energy Earthshot célkitűzésének eléréséhez, amely szerint a tiszta hidrogén költségét 80%-kal, 1 dollár/1 dollárra csökkentik 1 évtized alatt ("1 1 1"). Az elektrolízissel előállított hidrogén a felhasznált villamos energia forrásától függően nulla üvegházhatású gázkibocsátást eredményezhet. Az elektrolízissel történő hidrogéntermelés előnyeinek és gazdasági életképességének értékelésekor figyelembe kell venni a szükséges villamos energia forrását, beleértve annak költségét és hatékonyságát, valamint a villamosenergia-termelésből származó kibocsátásokat. Az ország számos régiójában a mai villamosenergia-hálózat nem ideális az elektrolízishez szükséges villamos energia biztosítására a felszabaduló üvegházhatású gázok és a szükséges tüzelőanyag mennyisége miatt az áramtermelési folyamat alacsony hatásfoka miatt. A megújuló (szél-, nap-, víz-, geotermikus) és a nukleáris energiaforrások terén elektrolízissel történő hidrogéntermelést folytatnak. Ezek a hidrogéntermelési utak gyakorlatilag nulla üvegházhatású gázt és szennyezőanyag-kibocsátást eredményeznek; azonban a termelési költségeket jelentősen csökkenteni kell, hogy versenyképesek lehessenek az érettebb szén-alapú utakkal, mint például a földgáz reformálása.

A megújuló energiatermeléssel való szinergia lehetősége
Az elektrolízissel történő hidrogéntermelés szinergiát kínálhat a dinamikus és szakaszos energiatermeléssel, ami egyes megújuló energiatechnológiákra jellemző. Például, bár a szélenergia költsége tovább csökkent, a szél eredendő változékonysága akadályozza a szélenergia hatékony felhasználását. A hidrogén-üzemanyag- és villamosenergia-termelést integrálni lehetne egy szélerőműparkba, lehetővé téve a termelés rugalmas átállítását, hogy a lehető legjobban illeszkedjen az erőforrások rendelkezésre állása a rendszer működési igényeihez és a piaci tényezőkhöz. Ezenkívül a szélerőművekből származó túlzott villamosenergia-termelés idején a villamosenergia-termelés szokásos megszorítása helyett felhasználható a felesleges villamos energia elektrolízissel hidrogén előállítására.

Fontos megjegyezni...
A mai hálózati villamos energia nem az ideális villamosenergia-forrás az elektrolízishez, mivel a villamos energia nagy részét üvegházhatású gázok kibocsátását eredményező és energiaigényes technológiákkal állítják elő. A megújuló vagy nukleáris energiatechnológiák felhasználásával történő villamosenergia-termelés, akár a hálózattól elkülönítve, akár a hálózati összetétel növekvő részeként, lehetséges megoldás az elektrolízissel történő hidrogéntermelés korlátainak leküzdésére.

Egy elektrolízis folyamatban egyszerre két különböző ionizációs folyamat megy végbe. Ebben az esetben a víz és az elektrolit is verseng.

Az elektrolit ugyanazon az ionizációs folyamaton megy keresztül, mint a víz. Ugyanez az oxidáció és redukció történne egy elektrolitban is.
Mivel az elektrolitból származó anion a hidroxidionokkal verseng az elektron feladásáért, a kation pedig a hidrogénionnal azért, hogy az elektron elfogadásával redukálódjon, az elektrolitot óvatosan kell kiválasztani.

Az elektrolit kationjának kisebb elektródpotenciállal kell rendelkeznie, mint a H+. Mindig ne feledje, hogy minden elektrolízisnél az elektrolit kationjának elektródpotenciáljának kisebbnek kell lennie, mint az elektrolizálandó anyag kationjának elektródpotenciáljának, és az elektrolit anionjának elektródpotenciáljának nagyobbnak kell lennie, mint az elektrolit kationjának elektródpotenciálja. az elektrolizált anyag.

A zöld hidrogén megújuló energiaforrások felhasználásával történő előállítása kellő érdeklődést váltott ki a víz hidrogén előállításához szükséges elektrolízise iránt. A szén-dioxid-kibocsátás nélküli, megújuló energiaforrásokkal végzett vízelektrolízis ígéretes módszer a hidrogéntermelés növelésére. 2020-ban hozzávetőleg 87 millió tonna hidrogént állítottak elő világszerte különféle felhasználási célokra, beleértve az olajfinomítást, ammónia (NH3) (Haber-eljárással) és metanol (CH3OH) (szén-monoxid [CO] redukciója) előállítását, és pl. közlekedési üzemanyag. A hidrogén iránti kereslet 2050-re várhatóan eléri a 500-680 millió tonnát. A hidrogéntermelési piac értéke 2020 és 2021 között 130 milliárd dollár volt, és 2030-ig évi 9,2%-os növekedést várnak. A jelenlegi hidrogéntermelés több mint 95%-a fosszilis tüzelőanyagokon alapul, és nagyon kevés a "zöld". Ma a hidrogéntermelés a globális földgáz 6%-át és a globális szén 2%-át fogyasztja el. Ennek ellenére a zöld hidrogén előállítási technológiák egyre népszerűbbek.

Az elektrolízis egy olyan folyamat, amely elektromos energiát használ a víz H2-re és O2-re történő felosztására. Az elektromosság az elektronok áramlása egy vezető úton, például vezetéken keresztül. Ezt az utat áramkörnek nevezik. Az elektronok az anód és a katód közötti elektromos potenciálkülönbség miatt mozognak. Az anód több elektront tartalmaz, és az elektronok zsúfoltsága miatt instabilabb. Az elektronok át akarják rendezni magukat, hogy kiküszöböljék a különbséget. Az elektronok taszítják egymást, és megpróbálnak egy olyan helyre költözni, ahol kevesebb elektron van. Ez egy katód.
Mivel a tiszta víz nem vezet elektromosságot, a vízfelhasadás lassú redox reakció.

Kémia
Az elektrolizátorban egy katód és egy anód van egy áramforráshoz csatlakoztatva. Az elektronok mindig anódról katódra áramlanak, bármiről is legyen szó. A katód mindig ott van, ahol redukció történik, ezért elektronoknak ott kell lenniük. Az oxidáció az elektronok elvesztése, a redukció pedig az elektronok gyarapodása.
Röviden, a negatív töltésű katódon redukciós reakció megy végbe, a katód elektronjait (e-) hidrogénkationokhoz adják, hogy hidrogéngáz képződjön.
Katód (redukció):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
A pozitív töltésű anódnál oxidációs reakció megy végbe, ami oxigéngázt termel, és elektronokat ad az anódnak, hogy befejezze az áramkört.
Anód (oxidáció): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Ezen reakciók kombinációja a következőket eredményezi:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
A katódon H2, az anódon pedig O2 termelődik.
A víz elektrolíziséhez legalább 1,23 V potenciálkülönbség szükséges, bár ezen a feszültségen külső hőre van szükség a környezetből.

A vízelektrolízis bipoláris cellák sok egyedi elektrokémiai cellából állnak elektromos sorozatban. A gyakorlatban az éppen leállított vízelektrolízis cellák jelentős elektromos töltést tudnak megtartani az egyes cellákban visszamaradt hidrogén és oxigén miatt. Ha egyedül hagyjuk, sok órába telhet, mire ez a maradék elektrokémiai töltés eloszlik. A rendszer szerviz- és karbantartó személyzetének rendkívüli körültekintéssel kell eljárnia, ha a működés után hamarosan megkísérli javítani vagy cserélni ezeket a cellakötegeket. Például egy fémszerszám, például egy csavarkulcs, véletlenül áthidalhat egy rést a cella köteg pozitív áramú kapocslemeze és a földelt fém tartókeret között, nagy áramot vagy elektromos ívet húzva, ami nem kívánt sérülést és sérülést okoz. A megfelelő szigetelő védőfelszerelést nem viselő személyzet is veszélyben van.

A karbantartó és szervizes személyzet legjobb gyakorlata annak ellenőrzése, hogy nem marad jelentős elektromos töltés a cellakötegben, mielőtt eltávolítaná a biztonsági burkolatokat és az elektromos csatlakozásokat a cellakötegből. A személyzetnek azt tanácsoljuk, hogy végezzenek cellaverem feszültségmérést annak ellenőrzésére, hogy a cellaköteg lemerült-e. Egyes esetekben a szervizszemélyzet egy megfelelően megtervezett szervizeszközt is alkalmazhat, amely egy nagyáramú rövidzárlati ellenállásból áll a kisütött cellakötegben további biztosítékként.

A termékeket Kína minden régiójában értékesítik, és a világ országaiba exportálják. Több mint 20 országban és régióban értékesítették őket, köztük az Egyesült Államokban, Németországban, Marokkóban, Kenyában, Szaúd-Arábiában, Vietnamban, Algériában, Indiában, Tanzániában és Tajvanon. Sikeresen biztosítottak olyan jól ismert vállalatokat, mint a China Aerospace, a PetroChina, a China Nuclear Group, a BYD, a Jiuli Specialty, a Tony Electronics, a Zheng Energy Group és más jól ismert vállalkozások. Számos zöld hidrogén-hidrogén-hidrogénező állomás létezik, mint például Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming stb.