Vandens elektrolizatorius vandeniliui

Elektrolizė yra perspektyvi galimybė be anglies vandenilio gaminti iš atsinaujinančių ir branduolinių išteklių. Elektrolizė – tai elektros energijos panaudojimo procesas vandeniui padalyti į vandenilį ir deguonį. Ši reakcija vyksta įrenginyje, vadinamame elektrolizatoriumi. Elektrolizatoriai gali būti įvairių dydžių: nuo mažos, prietaiso dydžio įrangos, puikiai tinkančios smulkiai paskirstytai vandenilio gamybai, iki didelio masto centrinių gamybos įrenginių, kurie gali būti tiesiogiai prijungti prie atsinaujinančių energijos šaltinių ar kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų neišskiriančių formų. elektros gamyba.

Kaip tai veikia
Kaip ir kuro elementai, elektrolizatoriai susideda iš anodo ir katodo, atskirto elektrolitu. Įvairūs elektrolizatoriai veikia skirtingai, daugiausia dėl skirtingų elektrolitų medžiagų tipo ir jo laidų.

Polimeriniai elektrolitų membraniniai elektrolizatoriai
Polimerinės elektrolito membranos (PEM) elektrolizatoriuje elektrolitas yra kieta speciali plastikinė medžiaga.

Vanduo reaguoja prie anodo, sudarydamas deguonį ir teigiamai įkrautus vandenilio jonus (protonus).
Elektronai teka per išorinę grandinę, o vandenilio jonai selektyviai juda per PEM į katodą.
Prie katodo vandenilio jonai jungiasi su elektronais iš išorinės grandinės ir sudaro vandenilio dujas. Anodo reakcija: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- katodo reakcija: 4H+ + 4e- → 2H2

Šarminiai elektrolizatoriai
Šarminiai elektrolizatoriai veikia pernešdami hidroksido jonus (OH-) per elektrolitą nuo katodo iki anodo, o katodo pusėje susidaro vandenilis. Elektrolizatoriai, kuriuose kaip elektrolitas naudojamas skystas šarminis natrio arba kalio hidroksido tirpalas, buvo parduodami daugelį metų. Naujesni metodai, naudojant kietąsias šarminių mainų membranas (AEM) kaip elektrolitą, yra daug žadantys laboratorijos mastu.

Kietojo oksido elektrolizatoriai
Kietojo oksido elektrolizatoriai, kuriuose kaip elektrolitas naudojama kieta keraminė medžiaga, selektyviai laidianti neigiamo krūvio deguonies jonus (O2-) aukštesnėje temperatūroje, vandenilį generuoja kiek kitaip.
Katodo garai susijungia su elektronais iš išorinės grandinės, sudarydami vandenilio dujas ir neigiamo krūvio deguonies jonus.
Deguonies jonai praeina per kietą keraminę membraną ir reaguoja prie anodo, sudarydami deguonies dujas ir generuodami elektronus išorinei grandinei.
Kietojo oksido elektrolizatoriai turi veikti esant pakankamai aukštai temperatūrai, kad kietojo oksido membranos tinkamai veiktų (apie 700–800 laipsnių, palyginti su PEM elektrolizatoriais, kurie veikia 70–90 laipsnių temperatūroje, ir komerciniais šarminiais elektrolizatoriais, kurie paprastai veikia žemesnėje nei 100 laipsnių). Pažangūs laboratorinio masto kietojo oksido elektrolizatoriai, kurių pagrindą sudaro protonams laidūs keraminiai elektrolitai, žada sumažinti darbinę temperatūrą iki 500–600 laipsnių. Kietojo oksido elektrolizatoriai gali efektyviai panaudoti šilumą, gaunamą esant tokioms aukštesnėms temperatūroms (iš įvairių šaltinių, įskaitant branduolinę energiją), kad sumažintų elektros energijos kiekį, reikalingą vandenilio gamybai iš vandens.

Kodėl svarstomas šis kelias
Elektrolizė yra vienas iš pirmaujančių vandenilio gamybos būdų, leidžiančių pasiekti Vandenilio energijos žemėtvarkos tikslą – sumažinti švaraus vandenilio kainą 80 % iki 1 USD už 1 kilogramą per 1 dešimtmetį („1 1 1“). Elektrolizės būdu pagamintas vandenilis gali sukelti nulinį šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą, priklausomai nuo naudojamos elektros energijos šaltinio. Vertinant vandenilio gamybos elektrolizės būdu naudą ir ekonominį gyvybingumą, reikia atsižvelgti į reikalingos elektros energijos šaltinį, įskaitant jos sąnaudas ir efektyvumą, taip pat elektros energijos gamybos išmetamus teršalus. Daugelyje šalies regionų šiandieniniai elektros tinklai nėra idealūs elektrolizei reikalingai elektrai tiekti dėl išsiskiriančių šiltnamio efektą sukeliančių dujų ir reikalingo kuro kiekio dėl mažo elektros gamybos proceso efektyvumo. Vandenilio gamyba elektrolizės būdu vykdoma naudojant atsinaujinančios (vėjo, saulės, vandens, geoterminės) ir branduolinės energijos galimybes. Dėl šių vandenilio gamybos būdų praktiškai nėra išmetama šiltnamio efektą sukeliančių dujų, o teršalų išmetimas pagal kriterijus; tačiau gamybos sąnaudas reikia gerokai sumažinti, kad būtų galima konkuruoti su brandesniais anglies dioksido gamybos būdais, pvz., gamtinių dujų reformavimu.

Potencialas sinergijai su atsinaujinančios energijos gamyba
Vandenilio gamyba elektrolizės būdu gali pasiūlyti sinergijos galimybių su dinamine ir pertraukiama energijos gamyba, kuri būdinga kai kurioms atsinaujinančios energijos technologijoms. Pavyzdžiui, nors vėjo energijos kaina ir toliau mažėjo, būdingas vėjo kintamumas trukdo efektyviai naudoti vėjo energiją. Vandenilio kuro ir elektros energijos gamyba galėtų būti integruota vėjo jėgainių parke, kad būtų galima lanksčiai perkelti gamybą taip, kad ištekliai geriausiai atitiktų sistemos veiklos poreikius ir rinkos veiksnius. Be to, tuo metu, kai vėjo jėgainėse gaminama perteklinė elektros energija, užuot apribojus elektros tiekimą, kaip paprastai daroma, šį elektros perteklių galima panaudoti vandenilio gamybai elektrolizės būdu.

Svarbu pažymėti...
Šiuolaikinė tinklo elektra nėra idealus elektros šaltinis elektrolizei, nes didžioji dalis elektros pagaminama naudojant technologijas, dėl kurių išmetama šiltnamio efektą sukeliančių dujų ir kurios yra imlios energijos. Elektros energijos gamyba naudojant atsinaujinančios arba branduolinės energijos technologijas, atskirai nuo tinklo arba kaip vis didėjanti tinklo dalis, yra galimas būdas įveikti šiuos vandenilio gamybos elektrolizės būdu apribojimus.

Elektrolizės procese vienu metu vyksta du skirtingi jonizacijos procesai. Šiuo atveju konkuruoja ir vanduo, ir elektrolitas.

Elektrolitas patiria tą patį jonizacijos procesą kaip ir vanduo. Ta pati oksidacija ir redukcija vyktų ir elektrolite.
Kadangi anijonas iš elektrolito konkuruoja su hidroksido jonais, kad atsisakytų elektrono, o katijonas konkuruoja su vandenilio jonu, kad redukuotųsi priimdamas elektroną, elektrolitą reikia pasirinkti atsargiai.

Elektrolito katijonas turi turėti mažesnį elektrodo potencialą nei H+. Visada atminkite, kad atliekant bet kokią elektrolizę, elektrolito katijono elektrodo potencialas turi būti mažesnis už elektrolizuojamos medžiagos katijono elektrodo potencialą, o elektrolito anijono elektrodo potencialas turi būti didesnis nei anijono elektrodo potencialas. elektrolizuojama medžiaga.

Žaliojo vandenilio gamyba naudojant atsinaujinančius energijos šaltinius sukėlė pakankamai susidomėjimo vandens elektrolize vandenilio gamybai. Vandens elektrolizė naudojant atsinaujinančius energijos šaltinius, neišskiriant CO2, yra perspektyvus būdas padidinti vandenilio gamybos greitį. 2020 m. visame pasaulyje buvo pagaminta apie 87 mln. tonų vandenilio įvairiems tikslams, įskaitant naftos perdirbimą, amoniako (NH3) (taikant Haberio procesą) ir metanolio (CH3OH) (redukuojant anglies monoksidą [CO]) gamybą ir kaip. transporto kuro. Tikimasi, kad iki 2050 m. vandenilio paklausa pasieks 500-680 mln. tonų. Vandenilio gamybos rinka 2020–2021 m. buvo įvertinta 130 mlrd. USD, o iki 2030 m. ji turėtų augti 9,2 % per metus. daugiau nei 95 % dabartinės vandenilio produkcijos gaminama naudojant iškastinį kurą, o labai mažai yra "žaliojo". Šiandien vandenilio gamybai sunaudojama 6 % pasaulio gamtinių dujų ir 2 % anglies. Nepaisant to, ekologiškos vandenilio gamybos technologijos populiarėja.

Elektrolizė yra procesas, kurio metu elektra padalija vandenį į H2 ir O2. Elektronų srautas laidžiu keliu, pavyzdžiui, laidu, yra tai, kas yra elektra. Šis kelias žinomas kaip grandinė. Elektronai juda dėl elektrinių potencialų skirtumo tarp anodo ir katodo. Anodas turi daugiau elektronų ir yra nestabilesnis dėl elektronų susikaupimo. Elektronai nori persitvarkyti, kad pašalintų skirtumą. Elektronai atstumia vienas kitą ir bando persikelti į vietą, kurioje yra mažiau elektronų. Tai yra katodas.
Kadangi grynas vanduo nepraleidžia elektros, vandens skilimas yra lėta redokso reakcija.

Chemija
Elektrolizatoriuje yra vienas katodas ir vienas anodas, prijungti prie maitinimo šaltinio. Elektronai visada teka iš anodo į katodą, nesvarbu. Katodas visada yra ten, kur vyksta redukcija, todėl ten turi būti elektronų. Oksidacija yra elektronų praradimas, o redukcija yra elektronų padidėjimas.
Trumpai tariant, neigiamai įkrautame katode vyksta redukcijos reakcija, kai elektronai (e-) iš katodo perduodami vandenilio katijonams, kad susidarytų vandenilio dujos.
Katodas (redukcija):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Teigiamai įkrautame anode vyksta oksidacijos reakcija, kuri generuoja deguonies dujas ir anodui perduoda elektronus, kad užbaigtų grandinę
Anodas (oksidacija): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Šių reakcijų derinys sukelia:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 susidaro katode, o O2 - anode.
Vandens elektrolizei reikalingas minimalus 1,23 volto potencialų skirtumas, nors esant tokiai įtampai, reikalinga išorinė šiluma iš aplinkos.

Vandens elektrolizės bipolinių elementų kaminai susideda iš daugybės atskirų elektrocheminių elementų elektros serijose. Praktiškai vandens elektrolizės elementų krūvos, kurios ką tik buvo sustabdytos, gali išlaikyti didelį elektros krūvį dėl kiekvienoje ląstelėje likusio vandenilio ir deguonies. Palikus vieną, gali prireikti daug valandų, kol šis liekamasis elektrocheminis krūvis išsisklaidys. Sistemos techninės priežiūros ir techninės priežiūros personalas turi būti ypač atsargus, jei netrukus po eksploatacijos bandys aptarnauti arba pakeisti šiuos elementų krūvelius. Pavyzdžiui, metalinis įrankis, pvz., veržliaraktis, gali netyčia užpildyti tarpą tarp elementų bloko teigiamos srovės gnybtų plokštės ir įžeminto metalinio atraminio rėmo, traukdamas didelę srovę arba elektros lanką, dėl kurio gali atsirasti žala ir sužalojimas. Taip pat kyla pavojus darbuotojams, nedėvintiems tinkamos izoliacinės apsaugos.

Geriausia techninės priežiūros ir aptarnavimo personalo praktika yra patikrinti, ar elementų bloke nelieka didelio elektros krūvio, prieš išimdami iš elementų kamino apsauginius gaubtus ir elektros jungtis. Darbuotojams patariama atlikti elementų kamino įtampos matavimą, kad įsitikintų, jog elementų krūva išsikrovusi. Kai kuriais atvejais techninės priežiūros personalas taip pat gali naudoti tinkamai suprojektuotą techninės priežiūros įrankį, sudarytą iš didelės srovės trumpojo jungimo rezistoriaus, esančio iškrauto elemento krūvoje, kaip papildomą apsaugą.

Produktai parduodami visuose Kinijos regionuose ir eksportuojami į viso pasaulio šalis. Jie parduodami daugiau nei 20 šalių ir regionų, įskaitant JAV, Vokietiją, Maroką, Keniją, Saudo Arabiją, Vietnamą, Alžyrą, Indiją, Tanzaniją ir Taivaną. Sėkmingai teikiamos gerai žinomos įmonės, tokios kaip „China Aerospace“, „PetroChina“, „China Nuclear Group“, BYD, „Jiuli Specialty“, „Tony Electronics“, „Zheng Energy Group“ ir kitos gerai žinomos įmonės. Yra daug žaliųjų vandenilio ir vandenilio hidrinimo stočių, tokių kaip Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming ir kt., teikia ekologiškus ir vandenilio gamybos projektus.