Elektroliser Air Untuk Hidrogen

Elektrolisis ialah pilihan yang menjanjikan untuk pengeluaran hidrogen bebas karbon daripada sumber yang boleh diperbaharui dan nuklear. Elektrolisis ialah proses menggunakan elektrik untuk membelah air kepada hidrogen dan oksigen. Tindak balas ini berlaku dalam unit yang dipanggil elektrolisis. Elektroliser boleh terdiri daripada pelbagai saiz daripada peralatan kecil bersaiz perkakas yang sangat sesuai untuk pengeluaran hidrogen teragih berskala kecil kepada kemudahan pengeluaran pusat berskala besar yang boleh disambungkan terus kepada bentuk boleh diperbaharui atau lain-lain bentuk bukan pemancar gas rumah hijau. pengeluaran tenaga elektrik.

Bagaimanakah ia berfungsi
Seperti sel bahan api, elektrolisis terdiri daripada anod dan katod yang dipisahkan oleh elektrolit. Elektrolisis yang berbeza berfungsi dengan cara yang berbeza, terutamanya disebabkan oleh jenis bahan elektrolit yang berbeza dan spesies ionik yang dibawanya.

Elektrolis Membran Elektrolit Polimer
Dalam elektrolisis membran elektrolit polimer (PEM), elektrolit adalah bahan plastik khusus pepejal.

Air bertindak balas di anod untuk membentuk oksigen dan ion hidrogen (proton) bercas positif.
Elektron mengalir melalui litar luar dan ion hidrogen secara selektif bergerak merentasi PEM ke katod.
Di katod, ion hidrogen bergabung dengan elektron dari litar luar untuk membentuk gas hidrogen. Tindak balas Anod: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Tindak balas Katod: 4H+ + 4e- → 2H2

Elektroliser Beralkali
Elektrolisis alkali beroperasi melalui pengangkutan ion hidroksida (OH-) melalui elektrolit dari katod ke anod dengan hidrogen dijana pada bahagian katod. Elektroliser menggunakan larutan alkali cecair natrium atau kalium hidroksida sebagai elektrolit telah tersedia secara komersial selama bertahun-tahun. Pendekatan yang lebih baru menggunakan membran pertukaran alkali pepejal (AEM) kerana elektrolit menunjukkan janji pada skala makmal.

Pepejal Oksida Elektroliser
Elektrolisis oksida pepejal, yang menggunakan bahan seramik pepejal sebagai elektrolit yang secara selektif mengalirkan ion oksigen bercas negatif (O2-) pada suhu tinggi, menjana hidrogen dengan cara yang sedikit berbeza.
Stim pada katod bergabung dengan elektron dari litar luar untuk membentuk gas hidrogen dan ion oksigen bercas negatif.
Ion oksigen melalui membran seramik pepejal dan bertindak balas di anod untuk membentuk gas oksigen dan menjana elektron untuk litar luar.
Elektrolisis oksida pepejal mesti beroperasi pada suhu yang cukup tinggi untuk membran oksida pepejal berfungsi dengan baik (kira-kira 700 darjah –800 darjah , berbanding dengan elektrolisis PEM, yang beroperasi pada 70 darjah –90 darjah dan elektrolisis alkali komersial, yang biasanya beroperasi kurang daripada 100 darjah). Elektrolisis oksida pepejal skala makmal lanjutan berdasarkan elektrolit seramik konduktor proton menunjukkan janji untuk menurunkan suhu operasi kepada 500 darjah –600 darjah . Elektrolisis oksida pepejal boleh menggunakan haba yang tersedia pada suhu tinggi ini (dari pelbagai sumber, termasuk tenaga nuklear) dengan berkesan untuk mengurangkan jumlah tenaga elektrik yang diperlukan untuk menghasilkan hidrogen daripada air.

Mengapa Laluan Ini Dipertimbangkan
Elektrolisis ialah laluan pengeluaran hidrogen terkemuka untuk mencapai matlamat Hidrogen Energy Earthshot untuk mengurangkan kos hidrogen bersih sebanyak 80% kepada $1 setiap 1 kilogram dalam 1 dekad ("1 1 1"). Hidrogen yang dihasilkan melalui elektrolisis boleh mengakibatkan pelepasan gas rumah hijau sifar, bergantung kepada sumber elektrik yang digunakan. Sumber tenaga elektrik yang diperlukan-termasuk kos dan kecekapannya, serta pelepasan yang terhasil daripada penjanaan elektrik-mesti dipertimbangkan semasa menilai faedah dan daya maju ekonomi pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis. Di kebanyakan wilayah di negara ini, grid kuasa hari ini tidak sesuai untuk menyediakan tenaga elektrik yang diperlukan untuk elektrolisis kerana gas rumah hijau yang dibebaskan dan jumlah bahan api yang diperlukan disebabkan kecekapan rendah proses penjanaan elektrik. Pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis sedang diusahakan untuk pilihan tenaga boleh diperbaharui (angin, suria, hidro, geoterma) dan nuklear. Laluan pengeluaran hidrogen ini menghasilkan hampir sifar gas rumah hijau dan kriteria pelepasan pencemar; namun, kos pengeluaran perlu dikurangkan dengan ketara untuk bersaing dengan laluan berasaskan karbon yang lebih matang seperti reformasi gas asli.

Potensi untuk sinergi dengan penjanaan kuasa tenaga boleh diperbaharui
Pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis mungkin menawarkan peluang untuk sinergi dengan penjanaan kuasa dinamik dan terputus-putus, yang merupakan ciri beberapa teknologi tenaga boleh diperbaharui. Sebagai contoh, walaupun kos kuasa angin terus menurun, kebolehubahan yang wujud bagi angin merupakan penghalang kepada penggunaan kuasa angin yang berkesan. Bahan api hidrogen dan penjanaan kuasa elektrik boleh disepadukan di ladang angin, membolehkan fleksibiliti untuk mengalihkan pengeluaran untuk memadankan ketersediaan sumber terbaik dengan keperluan operasi sistem dan faktor pasaran. Selain itu, pada masa pengeluaran elektrik yang berlebihan dari ladang angin, bukannya mengekang tenaga elektrik seperti yang biasa dilakukan, adalah mungkin untuk menggunakan lebihan elektrik ini untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis.

Adalah penting untuk diperhatikan...
Elektrik grid hari ini bukanlah sumber elektrik yang ideal untuk elektrolisis kerana kebanyakan tenaga elektrik dijana menggunakan teknologi yang mengakibatkan pelepasan gas rumah hijau dan intensif tenaga. Penjanaan elektrik menggunakan teknologi tenaga boleh diperbaharui atau nuklear, sama ada berasingan daripada grid, atau sebagai bahagian campuran grid yang semakin meningkat, adalah pilihan yang mungkin untuk mengatasi had ini untuk pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis.

Dalam proses elektrolisis, dua proses pengionan yang berbeza berlaku pada masa yang sama. Kedua-dua air dan elektrolit bersaing dalam kes ini.

Elektrolit mengalami proses pengionan yang sama seperti air. Pengoksidaan dan pengurangan yang sama akan berlaku dalam elektrolit.
Oleh kerana anion daripada elektrolit bersaing dengan ion hidroksida untuk melepaskan elektron, dan kation bersaing dengan ion hidrogen untuk dikurangkan dengan menerima elektron, elektrolit mesti dipilih dengan berhati-hati.

Kation elektrolit mestilah mempunyai potensi elektrod yang lebih rendah daripada H+. Sentiasa ingat dalam mana-mana elektrolisis potensi elektrod kation elektrolit hendaklah kurang daripada potensi elektrod kation bahan yang sedang dielektrolisis dan potensi elektrod anion elektrolit hendaklah lebih daripada potensi elektrod anion bahan yang sedang dielektrolisis.

Pengeluaran hidrogen hijau menggunakan sumber tenaga boleh diperbaharui telah mencetuskan minat yang cukup dalam elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen. Elektrolisis air menggunakan sumber tenaga boleh diperbaharui tanpa pelepasan CO2 dilihat sebagai kaedah yang menjanjikan untuk meningkatkan kadar pengeluaran hidrogen. Pada tahun 2020, kira-kira 87 juta tan hidrogen dihasilkan di seluruh dunia untuk pelbagai kegunaan, termasuk penapisan minyak, pengeluaran ammonia (NH3) (melalui proses Haber) dan metanol (CH3OH) (melalui pengurangan karbon monoksida [CO]), dan sebagai bahan api pengangkutan. Permintaan untuk hidrogen dijangka mencecah 500-680 juta MT menjelang 2050. Pasaran pengeluaran hidrogen bernilai $130 bilion dari 2020 hingga 2021 dan dijangka berkembang pada kadar tahunan 9.2% hingga 2030. Tetapi ada tangkapan: lebih 95% daripada pengeluaran hidrogen semasa adalah berdasarkan bahan api fosil, dengan sangat sedikit yang "hijau." Hari ini, pengeluaran hidrogen menggunakan 6% daripada gas asli global dan 2% daripada arang batu global. Namun begitu, teknologi pengeluaran hidrogen hijau semakin popular.

Elektrolisis ialah proses yang menggunakan elektrik untuk membelah air kepada H2 dan O2. Aliran elektron melalui laluan konduktif, seperti wayar, adalah elektrik. Laluan ini dikenali sebagai litar. Elektron bergerak kerana perbezaan keupayaan elektrik antara anod dan katod. Anod mempunyai lebih banyak elektron dan lebih tidak stabil kerana kesesakan elektron. Elektron mahu menyusun semula diri mereka untuk menghapuskan perbezaan. Elektron menolak satu sama lain dan cuba bergerak ke lokasi dengan elektron yang lebih sedikit. Itu adalah katod.
Kerana air tulen tidak mengalirkan elektrik, pemisahan air adalah tindak balas redoks yang perlahan.

Kimia
Dalam elektrolisis, terdapat satu katod dan satu anod disambungkan kepada sumber kuasa. Elektron sentiasa mengalir dari anod ke katod tidak kira apa. Katod sentiasa di mana pengurangan berlaku oleh itu elektron perlu berada di sana. Pengoksidaan ialah kehilangan elektron dan pengurangan ialah perolehan elektron.
Secara ringkas, pada katod bercas negatif, tindak balas pengurangan berlaku, dengan elektron (e−) dari katod diberikan kepada kation hidrogen untuk membentuk gas hidrogen
Katod (pengurangan):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Pada anod bercas positif, tindak balas pengoksidaan berlaku, menghasilkan gas oksigen dan memberikan elektron kepada anod untuk melengkapkan litar.
Anod (pengoksidaan): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Gabungan tindak balas ini menghasilkan:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 dihasilkan di katod dan O2 di anod.
Elektrolisis air memerlukan perbezaan potensi minimum 1.23 volt, walaupun pada voltan itu haba luaran diperlukan dari persekitaran.

Susunan sel bipolar elektrolisis air terdiri daripada banyak sel elektrokimia individu dalam siri elektrik. Dalam amalan, susunan sel elektrolisis air yang baru sahaja dihentikan boleh mengekalkan cas elektrik yang ketara disebabkan oleh baki hidrogen dan oksigen yang tinggal di dalam setiap sel. Jika dibiarkan sahaja, ia mungkin mengambil masa berjam-jam untuk sisa cas elektrokimia ini hilang. Kakitangan perkhidmatan dan penyelenggaraan sistem mesti berhati-hati jika cuba menyervis atau menggantikan susunan sel ini sejurus selepas operasi. Sebagai contoh, alat logam seperti sepana secara tidak sengaja boleh merapatkan jurang antara plat terminal arus positif timbunan sel dan rangka sokongan logam yang dibumikan, menarik arus besar atau arka elektrik dengan kerosakan dan kecederaan sebagai akibat yang tidak diingini. Kakitangan yang tidak memakai peralatan perlindungan penebat yang sesuai juga berisiko.

Amalan terbaik untuk kakitangan penyelenggaraan dan perkhidmatan adalah untuk mengesahkan bahawa tiada cas elektrik yang ketara kekal dalam timbunan sel sebelum mengeluarkan pelindung keselamatan dan sambungan elektrik daripada timbunan sel. Kakitangan dinasihatkan untuk melakukan pengukuran voltan tindanan sel untuk mengesahkan bahawa tindanan sel telah dinyahcas. Dalam sesetengah kes, kakitangan perkhidmatan juga boleh menggunakan alat servis yang direka bentuk dengan betul yang terdiri daripada perintang pintasan arus tinggi merentasi timbunan sel yang dinyahcas sebagai perlindungan tambahan.

Produk dijual di semua wilayah China dan dieksport ke negara di seluruh dunia. Mereka telah dijual di lebih daripada 20 negara dan wilayah termasuk Amerika Syarikat, Jerman, Maghribi, Kenya, Arab Saudi, Vietnam, Algeria, India, Tanzania dan Taiwan. Berjaya menyediakan perusahaan terkenal seperti China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group dan perusahaan terkenal lain. Terdapat banyak stesen penghidrogenan hidrogen hidrogen hijau seperti Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, dll. menyediakan projek pembuatan hijau dan hidrogen.