Электролизер воды для водорода

Электролиз — многообещающий вариант безуглеродного производства водорода из возобновляемых и ядерных ресурсов. Электролиз — это процесс использования электричества для разделения воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в установке, называемой электролизером. Электролизеры могут варьироваться по размерам: от небольшого оборудования размером с прибор, которое хорошо подходит для мелкомасштабного распределенного производства водорода, до крупномасштабных центральных производственных объектов, которые могут быть напрямую связаны с возобновляемыми или другими формами, не вызывающими выбросов парниковых газов. производство электроэнергии.

Как это работает
Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры функционируют по-разному, в основном из-за различного типа используемого электролитного материала и типа ионов, которые он проводит.

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом
В электролизере с мембраной из полимерного электролита (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластик.

Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭМ к катоду.
На катоде ионы водорода соединяются с электронами внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Катодная реакция: 4H+ + 4e- → 2H2

Щелочные электролизеры
Щелочные электролизеры работают за счет транспорта ионов гидроксида (OH-) через электролит от катода к аноду, при этом водород генерируется на стороне катода. Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, коммерчески доступны уже много лет. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (АЕМ) в качестве электролита показывают себя многообещающе в лабораторных масштабах.

Твердооксидные электролизеры
Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O2-) при повышенных температурах, генерируют водород несколько иным способом.
Пар на катоде соединяется с электронами внешней цепи, образуя газообразный водород и отрицательно заряженные ионы кислорода.
Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.
Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для правильного функционирования твердооксидных мембран (около 700–800 градусов по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70–90 градусах, и коммерческими щелочными электролизерами, которые обычно работают при температуре ниже 100 градусов). Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов обещают снизить рабочую температуру до 500–600 градусов. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при таких повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электрической энергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь
Электролиз является ведущим способом производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»). Водород, полученный посредством электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от источника используемой электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая ее стоимость и эффективность, а также выбросы, возникающие в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода посредством электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества требуемого топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода посредством электролиза рассматривается для возобновляемых источников энергии (ветровая, солнечная, гидро-, геотермальная) и ядерной энергетики. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и критических загрязняющих веществ; однако производственные затраты должны быть значительно снижены, чтобы быть конкурентоспособными с более зрелыми углеродными технологиями, такими как риформинг природного газа.

Потенциал синергии с производством электроэнергии из возобновляемых источников энергии
Производство водорода посредством электролиза может открыть возможности для синергии с динамическим и прерывистым производством электроэнергии, что характерно для некоторых технологий возобновляемой энергетики. Например, хотя стоимость ветровой энергии продолжает падать, присущая ей изменчивость является препятствием для эффективного использования ветровой энергии. Производство водородного топлива и электроэнергии может быть интегрировано на ветряной электростанции, что позволит гибко перемещать производство так, чтобы оно наилучшим образом соответствовало доступности ресурсов эксплуатационным потребностям системы и рыночным факторам. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии на ветряных электростанциях вместо сокращения производства электроэнергии, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода посредством электролиза.

Важно отметить...
Сегодняшняя сетевая электроэнергия не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Производство электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергетики, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части энергосистемы, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода посредством электролиза.

В процессе электролиза одновременно происходят два различных процесса ионизации. В этом случае конкурируют и вода, и электролит.

Электролит подвергается тому же процессу ионизации, что и вода. То же самое окисление и восстановление будет происходить и в электролите.
Поскольку анион электролита конкурирует с ионами гидроксида за отдачу электрона, а катион конкурирует с ионом водорода за восстановление, принимая электрон, электролит следует выбирать осторожно.

Катион электролита должен иметь более низкий электродный потенциал, чем H+. Всегда помните, что при любом электролизе электродный потенциал катиона электролита должен быть меньше электродного потенциала катиона электролизируемого вещества, а электродный потенциал аниона электролита должен быть больше электродного потенциала аниона электролита. вещество, подвергающееся электролизу.

Производство зеленого водорода с использованием возобновляемых источников энергии вызвало достаточный интерес к электролизу воды для производства водорода. Электролиз воды с использованием возобновляемых источников энергии без выбросов CO2 рассматривается как перспективный метод увеличения скорости производства водорода. В 2020 году во всем мире было произведено около 87 миллионов тонн водорода для различных целей, включая нефтепереработку, производство аммиака (NH3) (посредством процесса Габера) и метанола (CH3OH) (посредством восстановления угарного газа [CO]), а также транспортное топливо. Ожидается, что спрос на водород достигнет 500-680 миллионов тонн к 2050 году. Рынок производства водорода оценивается в 130 миллиардов долларов в период с 2020 по 2021 год и, как ожидается, будет расти на 9,2% в год до 2030 года. Но есть одна загвоздка: более 95% текущего производства водорода основано на ископаемом топливе, и очень немногие из них являются «зелеными». Сегодня производство водорода потребляет 6% мирового природного газа и 2% мирового угля. Тем не менее, технологии производства зеленого водорода набирают популярность.

Электролиз — это процесс, в котором используется электричество для расщепления воды на H2 и O2. Поток электронов по проводящему пути, например проводу, и есть электричество. Этот путь известен как контур. Электроны движутся за счет разности электрических потенциалов между анодом и катодом. Анод имеет больше электронов и более нестабильен из-за скученности электронов. Электроны хотят перестроиться, чтобы устранить разницу. Электроны отталкивают друг друга и пытаются переместиться в место с меньшим количеством электронов. Это катод.
Поскольку чистая вода не проводит электричество, расщепление воды представляет собой медленную окислительно-восстановительную реакцию.

Химия
В электролизере имеется один катод и один анод, подключенные к источнику питания. Электроны всегда текут от анода к катоду, несмотря ни на что. Катод всегда находится там, где происходит восстановление, поэтому там должны быть электроны. Окисление – это потеря электронов, а восстановление – их приобретение.
Вкратце, на отрицательно заряженном катоде происходит реакция восстановления, при которой электроны (e-) от катода отдаются катионам водорода с образованием газообразного водорода.
Катод (восстановление):2 H2O(l) + 2e- -- > H2(g) + 2 OH-(водн.)
На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления, в результате которой образуется газообразный кислород и отдаются электроны на анод, чтобы замкнуть цепь.
Анод (окисление): 2 OH-(вод) -- > 1/2 O2(г) + H2O(ж) + 2 e-
Сочетание этих реакций дает:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 образуется на катоде, а O2 — на аноде.
Для электролиза воды требуется минимальная разность потенциалов 1,23 вольта, хотя при этом напряжении требуется внешнее тепло из окружающей среды.

Пакеты биполярных ячеек для электролиза воды состоят из множества отдельных электрохимических ячеек, соединенных электрическими последовательностями. На практике только что остановленные батареи электролизеров воды могут сохранять значительный электрический заряд из-за остаточного водорода и кислорода, остающихся внутри каждой ячейки. Если оставить его в покое, может потребоваться много часов, чтобы этот остаточный электрохимический заряд рассеялся. Персонал по обслуживанию и техническому обслуживанию системы должен проявлять особую осторожность при попытке обслуживания или замены этих блоков ячеек вскоре после их эксплуатации. Например, металлический инструмент, такой как гаечный ключ, может случайно перекрыть зазор между клеммной пластиной положительного тока пакета элементов и заземленной металлической опорной рамой, вызывая сильный ток или электрическую дугу с нежелательным результатом повреждения и травмы. Персонал, не носящий соответствующие изолирующие средства защиты, также подвергается риску.

Наилучшая практика для обслуживающего персонала заключается в том, чтобы убедиться, что в пакете элементов не осталось значительного электрического заряда, прежде чем снимать защитные ограждения и электрические соединения со пакета элементов. Персоналу рекомендуется выполнить измерение напряжения батареи элементов, чтобы убедиться, что батарея разряжена. В некоторых случаях обслуживающий персонал может также использовать специально разработанный сервисный инструмент, состоящий из сильноточного закорачивающего резистора, установленного на блоке разряженных элементов, в качестве дополнительной защиты.

Продукция реализуется во всех регионах Китая и экспортируется в страны мира. Они продаются более чем в 20 странах и регионах, включая США, Германию, Марокко, Кению, Саудовскую Аравию, Вьетнам, Алжир, Индию, Танзанию и Тайвань. Успешно обеспечиваем такие известные предприятия, как China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и другие известные предприятия. Существует множество станций гидрогенизации зеленого водорода, таких как Уланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань, Хайкоу, Юньнань, Куньмин и т. д., которые предоставляют проекты по производству экологически чистого водорода и водорода.