Tiga laluan teknikal untuk pengeluaran hidrogen daripada air elektrolitik - elektrolisis beralkali, PEM dan oksida pepejal
Pada dasarnya, elektrolisis air untuk penghasilan hidrogen ialah proses elektrokimia di mana molekul air dipisahkan kepada hidrogen dan oksigen di katod dan anod, masing-masing, di bawah tindakan arus terus. Bergantung pada prinsip tindak balas, terdapat tiga pilihan utama: elektrolisis air beralkali (ALK), elektrolisis air tulen dengan membran pertukaran proton (PEM) dan elektrolisis air oksida pepejal (SOEC). Elektrolisis akueus alkali (ALK) dan elektrolisis membran pertukaran proton (PEM) untuk pengeluaran hidrogen telah dilancarkan secara komersial, manakala elektrolisis oksida pepejal sedang dalam peringkat pembangunan makmal.
Elektrolisis alkali (ALK): Elektrolisis alkali menggunakan larutan akueus alkali seperti KOH sebagai elektrolit dan kain bukan tenunan (polimer fluorin atau fluorin klorin) sebagai diafragma untuk mengelektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen di bawah arus terus. Hasil gas adalah berkadar dengan arus dan penggunaan elektrik seunit hasil gas adalah berkaitan dengan voltan elektrolisis dan suhu tindak balas. Voltan penguraian teori air ialah 1.23V dan penggunaan kuasa teori ialah 2.95kWh/m3, manakala penggunaan kuasa sebenar elektrolisis air beralkali adalah kira-kira 5.5kWh/m3 dan kecekapan penukaran elektrolisis adalah sekitar 60%.
ALK telah tersedia secara komersil selama hampir 100 tahun dan teknologinya agak matang, dengan jangka hayat 15-20 tahun, dan kosnya hanya satu perlima daripada elektrolisis PEM dengan saiz yang sama.
Kelemahan: saiz besar, kecekapan rendah dan tindak balas dinamik yang perlahan. 1) Saiz elektrolisis beralkali jauh lebih besar daripada elektroliser PEM untuk skala pengeluaran hidrogen yang sama kerana kadar tindak balas yang perlahan dan ketumpatan arus yang rendah disebabkan oleh penggunaan pemangkin logam bukan berharga. 2) Penyelesaian alkali adalah sangat intensif penyelenggaraan dan oleh itu memerlukan penyelenggaraan yang kerap. 3) Masa permulaan sejuk elektrolisis ALK ialah 1-2 jam kerana penggunaan kuasa yang diperlukan untuk memanaskan elektrolit. 4) dinamik elektrolisis alkali adalah perlahan dan tidak membenarkan pengesanan yang baik terhadap penjanaan tenaga boleh diperbaharui yang berubah-ubah. Di samping itu, untuk memastikan ketulenan pengeluaran hidrogen, elektrolisis beralkali mesti mengekalkan tahap kuasa lebih daripada 20% daripada kuasa terkadarnya,
Elektrolisis membran pertukaran proton (PEM): Elektrolisis air PEM untuk pengeluaran hidrogen dan aliran kerja sel bahan api PEM ialah proses songsang antara satu sama lain. Komponen utama sel PEM biasa termasuk elektrod membran (membran pertukaran proton, lapisan pemangkin, lapisan resapan), plat bipolar, plat resin epoksi dan plat hujung. Lapisan pemangkin ialah antara muka tiga fasa yang terdiri daripada pemangkin, medium pemindahan elektron dan medium pemindahan proton, yang merupakan teras tindak balas elektrokimia, Membran pertukaran proton digunakan sebagai elektrolit pepejal, biasanya membran asid perfluorosulfonik, untuk mengasingkan katod daripada menghasilkan gas, untuk menghalang pemindahan elektron dan untuk memindahkan proton.
Kelebihan: kecekapan tinggi, tiada penyelesaian alkali, saiz kecil, keselamatan dan kebolehpercayaan, tindak balas dinamik yang baik, dan lain-lain. Penggunaan kuasa yang sepadan bagi teknologi elektrolisis PEM adalah kira-kira 5.0kWh/m3 dan kecekapan adalah kira-kira 70%. Berbanding dengan ALK, sistem elektrolisis air PEM tidak memerlukan penyahalkalian. Pada masa yang sama, sel elektrolisis PEM adalah lebih padat dan dinamik, menjadikannya sesuai untuk digunakan secara bersiri dengan sumber tenaga boleh diperbaharui yang berubah-ubah.
Kelemahan: kos yang tinggi kerana keperluan untuk menggunakan logam berharga. Pada masa ini hanya logam berharga seperti iridium dan ruthenium boleh digunakan sebagai pemangkin. Untuk mengurangkan kos bahan pemangkin dan elektrolisis, terutamanya pemuatan logam berharga katod dan elektromangkin anod, dan untuk meningkatkan kecekapan dan jangka hayat elektrolisis, adalah keutamaan penyelidikan utama untuk pembangunan elektrolisis air PEM untuk pengeluaran hidrogen. .
Solid Oxide Electrolyzer (SOEC): beroperasi pada sekitar 800°C, ini merupakan teknologi elektrolisis air yang sangat menjanjikan berbanding elektrolisis alkali dan elektrolisis PEM, yang beroperasi pada sekitar 80°C. Ia masih dalam peringkat makmal pembangunan. Bahan katod untuk SOEC suhu tinggi biasanya Ni/YSZ (yttrium doped zirconia) cermet berliang dan bahan anod terutamanya chalcogenide oxide, dengan kemungkinan LSCF (lanthanum strontium cobalt iron) pada masa hadapan. Elektrolit perantaraan ialah konduktor ion oksigen YSZ. Wap air yang bercampur dengan sejumlah kecil hidrogen masuk dari katod (tujuan mencampurkan hidrogen adalah untuk memastikan suasana pengurangan di katod dan untuk mengelakkan pengoksidaan bahan katod Ni), di mana tindak balas elektrolisis berlaku untuk membentuk H2 dan O2-, yang melalui lapisan elektrolit ke anod, di mana ia kehilangan elektron untuk membentuk O2. SOEC juga merupakan operasi terbalik SOEF.
(1) Tidak seperti elektrolisis air beralkali dan elektrolisis air PEM, elektrolisis air oksida pepejal suhu tinggi menggunakan oksida pepejal sebagai bahan elektrolit dan berfungsi pada 800-1000°C. Prestasi elektrokimia proses pengeluaran hidrogen bertambah baik dengan ketara dan kecekapan penggunaan tenaga lebih tinggi, mencapai ≥90%; (2) Elektroliser boleh menggunakan pemangkin logam bukan berharga dan diperbuat daripada semua bahan seramik, mengurangkan masalah kakisan peralatan. Masalah kakisan peralatan berkurangan.
Kelemahan: ketahanan yang lemah. Persekitaran suhu dan kelembapan yang tinggi mengehadkan pilihan bahan untuk elektroliser yang stabil, tahan lama dan tahan reput, mengehadkan pilihan senario aplikasi untuk teknologi pengeluaran hidrogen SOEC dan penggunaannya yang meluas.