الکترولایزر قلیایی

کاهش هزینه هیدروژن سبز تولید شده توسط الکترولیز آب برای کاهش هزینه های انتقال انرژی بسیار مطلوب است. این نه تنها به برق سبز کم هزینه نیاز دارد، بلکه هزینه سرمایه کمتری نیز دارد. مورد دوم به ویژه مهم است، زیرا نیروگاه های الکترولیز آینده بر اساس برق تجدید پذیر متغیر (زیاد) کار خواهند کرد که تعداد ساعات کار را محدود می کند و در نتیجه سهم نسبی هزینه های سرمایه را افزایش می دهد. سه راه برای کاهش هزینه‌های سرمایه وجود دارد: صرفه‌جویی در مقیاس، صرفه‌جویی در تعداد و نوآوری.
"اقتصاد در مقیاس" به این معنی است که کارخانه های بزرگ نسبتا ارزان تر هستند. در صنایع شیمیایی معمولاً کارخانه‌ای که ده برابر بزرگ‌تر است، تنها پنج برابر گران‌تر است، به این معناست که هزینه‌های سرمایه‌ای برای هر واحد محصول تولید شده یک فاکتور کمتر است. یک سوال این است که آیا این مقیاس‌بندی برای نیروگاه‌های الکترولیز نیز اعمال می‌شود، زیرا الکترولایزرها به خوبی مقیاس نمی‌شوند: به دلیل محدودیت‌های مدیریت حرارت، پشته‌های قلیایی فعلی به اندازه تقریباً 10 مگاوات محدود شده‌اند و انتظار نمی‌رود که این تعداد افزایش زیادی در آینده. این بدان معنی است که برای کارخانه های بزرگتر، الکترولیزها فقط باید "شماره شوند"، که به این معنی است که مزایای مقیاس محدود برای الکترولیزها وجود دارد. در همان زمان، پشته‌ها فقط 10-20% از کل هزینه‌های کارخانه و 80-90% دیگر از هزینه‌ها به خوبی مقیاس می‌شوند. بنابراین، ما همچنان انتظار داریم که مقیاس مناسبی برای نیروگاه‌های الکترولیز آب داشته باشیم، اگرچه ممکن است نسبت به کارخانه‌های شیمیایی معمولی کمتر مطلوب باشند.
«اقتصاد اعداد» به این معنی است که وقتی واحدهای بیشتری از یک محصول تولید می‌شوند، به دلیل تولید خودکار و سایر بهینه‌سازی‌های زنجیره تأمین، ارزان‌تر می‌شوند. شناخته شده ترین نمونه پانل های خورشیدی است که در آنها کاهش هزینه های زیادی از این طریق حاصل شده است. همچنین، در زمینه الکترولیزها، پتانسیل بسیار زیادی برای «اقتصاد در مقیاس» وجود دارد، زیرا در حال حاضر بیشتر الکترولایزرها هنوز به روشی بسیار پر زحمت با مونتاژ دستی سلول ها در پشته ها ساخته می شوند. با توجه به تقاضای فزاینده برای الکترولیزها، در حال حاضر شاهد هستیم که تولیدکنندگان شروع به توسعه خطوط تولید خودکار کرده اند که منجر به کاهش قابل توجه هزینه می شود.
هر دو «اقتصاد مقیاس» و «اقتصاد اعداد» به کاهش هزینه کمک می‌کنند، اما بین آن‌ها یک مبادله نیز وجود دارد: پشته‌ها و ماژول‌های بزرگ‌تر (که شامل پمپ‌های ao، جداکننده‌های گاز-مایع، و مبدل‌های حرارتی هستند) به این معناست که تعداد واحدها کمتر خواهد بود و از این رو مزایای "اقتصاد اعداد" کمتر خواهد بود. با این حال، بازار الکترولایزرهای آب به قدری بزرگ خواهد بود که حتی با وجود پشته ها و ماژول های بزرگ، همچنان "اقتصاد اعداد" قابل توجهی وجود خواهد داشت. این باعث می شود که برای الکترولیز آب، «صرفه جویی در مقیاس» و «اقتصاد اعداد» می توانند مکمل یکدیگر باشند.
یکی دیگر از محرک های اصلی کاهش هزینه ها، نوآوری خواهد بود. اگرچه فناوری قلیایی بیش از 100 سال است که وجود دارد، هنوز فضای کافی برای نوآوری های فنی وجود دارد، به ویژه در مورد چگالی فعلی که این فناوری در آن کار می کند. در مقایسه با فناوری الکترولیز قلیایی سنتی، چگالی جریان را می‌توان بیش از پنج فاکتور از طریق نوآوری در دیافراگم، پوشش‌های الکترود و طراحی سلول افزایش داد. شکل 3 یک نمایش شماتیک از یک پشته الکترولیز قلیایی مفهومی را نشان می دهد که می تواند در سال 2030 به بازار عرضه شود. جدول 2 ویژگی های عملکردی مربوط به چنین الکترولیزگری را نشان می دهد، که نشان می دهد خروجی هیدروژن چنین الکترولیزکننده ای می تواند ده ضریب بالاتر از سنتی باشد. الکترولیزهای قلیایی این به طور موثر هزینه های هیدروژن تولید شده را کاهش می دهد، زیرا پشته ده برابر گران تر از نمونه سنتی نیست.

روش های زیادی وجود دارد که الکترولیز تولید هیدروژن می تواند برای افراد و همچنین مشاغل مفید باشد. شاید مزیت اصلی این تکنیک شامل تولید هیدروژن سبز به جای تکیه بر هیدروژن آبی (محصولی که از منابع سوخت فسیلی سنتی مانند گاز طبیعی مشتق می شود) باشد. به عبارت دیگر، یک الکترولیز وسیله ای تجدیدپذیر برای تولید انرژی ارائه می دهد.

بنابراین واضح است که چرا یک الکترولیز اغلب در صنعت پیل سوختی هیدروژنی استفاده می شود. این گاز را می توان جمع آوری و ذخیره کرد تا سلول ها پس از اتمام آنها شارژ شوند. به طور چشمگیری طول عمر آنها را افزایش می دهد و در عین حال از منابع قابل اعتماد انرژی اطمینان می یابد.

یکی دیگر از کاربردهای جالب مربوط به ذخیره سازی هیدروژن، نحوه ادغام آن با فناوری های سبز موجود است. به عنوان مثال، ممکن است زمان هایی وجود داشته باشد که توربین های بادی به دلیل شرایط آب و هوایی قادر به تولید سطوح کافی قدرت نباشند. یک الکترولیز در محل می تواند به عنوان یک سیستم اضافی استفاده شود.

نمونه دیگر شامل شرایطی است که مقدار اضافی برق اصلی تولید می شود. برخلاف کاهش تولید، این توان را می توان به یک الکترولیز هدایت کرد. در نتیجه ذخایر کافی هیدروژن برای استفاده در آینده ایجاد می شود.[9]

الکترولیز قلیایی آب به دلیل مقیاس پذیری استثنایی خود متمایز است و بدون زحمت با نیازهای مختلف تولید هیدروژن سازگار می شود. این تطبیق پذیری آن را در طیفی از سناریوها، از ابتکارات در مقیاس متوسط ​​تا فرآیندهای صنعتی گسترده، قابل اجرا می کند. علاوه بر این، طول عمر عملیاتی طولانی الکترولیز قلیایی تامین هیدروژن ثابت و پایدار را در مدت زمان طولانی تضمین می کند.
مقرون به صرفه بودن الکترولیز قلیایی مزیت قابل توجه دیگری است، زیرا تجهیزات آن به مواد ارزان‌تر در مقایسه با روش‌های تولید هیدروژن جایگزین نیاز دارد. این مقرون به صرفه دسترسی آن را گسترش می دهد، و جذابیت آن را به یک پایگاه کاربری متنوع، از جمله شرکت های کوچک و مؤسسات تحقیقاتی گسترش می دهد.

سادگی، نگهداری سیستم های الکترولیز قلیایی را تعریف می کند. طراحی ساده آنها به حداقل توجه و خدمات نیاز دارد، نیاز به مهارت های تخصصی یا روال های تعمیر و نگهداری پرهزینه را از بین می برد و آن را به عنوان یک انتخاب مناسب برای تولید هیدروژن معرفی می کند.

عملکرد در دماهای پایین‌تر یکی از مزایای کلیدی الکترولیز قلیایی است که به کاهش مصرف انرژی و افزایش بازده کلی کمک می‌کند. این فرآیند انرژی کارآمد منجر به صرفه جویی در هزینه و کاهش ردپای محیطی می شود.
تولید هیدروژن با خلوص بالا یک مزیت اضافی الکترولیز قلیایی است، به ویژه برای کاربردها در صنایعی مانند سلول های سوختی و مواد شیمیایی. اطمینان از عملکرد و قابلیت اطمینان در این بخش‌ها، الکترولیز قلیایی را به عنوان یک روش ترجیحی برای تولید هیدروژن جامد می‌کند.

در نهایت، پتانسیل دوستدار محیط زیست الکترولیز قلیایی قابل توجه است. با ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا بادی، این فرآیند به طور قابل توجهی انتشار کربن را کاهش می دهد و اتکا به سوخت های فسیلی را کاهش می دهد و با هدف کلی تقویت یک سیستم انرژی پایدار و آگاهانه از محیط زیست همسو می شود.

به طور خلاصه، الکترولیز قلیایی آب مجموعه ای چند وجهی از مزایای تولید هیدروژن را ارائه می دهد. مقیاس پذیری، مقرون به صرفه بودن، ویژگی های کم تعمیر و نگهداری، توانایی کارکرد در دماهای پایین تر، خروجی هیدروژن با خلوص بالا و ویژگی های سازگار با محیط زیست، آن را به عنوان یک راه حل قانع کننده در کاربردهای مختلف قرار می دهد. الکترولیز قلیایی آب چه در پروژه‌های مقیاس کوچک و چه در محیط‌های صنعتی در مقیاس بزرگ مستقر شود، به عنوان یک منبع قابل اعتماد و پایدار هیدروژن ظاهر می‌شود.

الکترولیز قلیایی دستگاهی است که از محلول الکترولیت، معمولاً هیدروکسید پتاسیم یا سدیم، برای تقسیم مولکول های آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق فرآیندی به نام الکترولیز استفاده می کند. اصل شیمیایی پشت یک الکترولیز قلیایی بر اساس اصول الکتروشیمی است. در الکتروشیمی، واکنش های شیمیایی با انتقال الکترون ها از یک ماده به ماده دیگر انجام می شود. هنگامی که جریان الکتریکی به محلول الکترولیت وارد می شود، محلول الکترولیت را تحت فرآیندی به نام الکترولیز قرار می دهد. در طی این فرآیند، جریان الکتریکی باعث می شود که مولکول های آب به اتم های تشکیل دهنده خود یعنی هیدروژن و اکسیژن تقسیم شوند.
در یک الکترولیز قلیایی، این فرآیند با حضور محلول الکترولیت، که حاوی یون‌های هیدروکسید (OH-) است که انتقال الکترون‌ها بین الکترودها و مولکول‌های آب را تسهیل می‌کند، ممکن می‌شود. یون های هیدروکسید به آند با بار مثبت (الکترود متصل به ترمینال مثبت منبع تغذیه) و یون های هیدروژن (H +) به کاتد با بار منفی (الکترود متصل به ترمینال منفی منبع تغذیه) جذب می شوند. .
در آند، مولکول‌های آب اکسید می‌شوند تا گاز اکسیژن و یون‌های هیدروژن با بار مثبت تشکیل شوند: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
در کاتد، یون‌های هیدروژن برای تشکیل گاز هیدروژن احیا می‌شوند: 4H+ + 4e- → 2H2
به طور کلی، واکنش را می توان به صورت: 2H2O → 2H2 + O2 بیان کرد.
محلول الکترولیت با ارائه یک محیط رسانا برای جریان الکترون ها بین الکترودها و مولکول های آب، نقش مهمی در این فرآیند ایفا می کند. یون های هیدروکسید موجود در محلول الکترولیت همچنین به حفظ سطح pH پایدار کمک می کند، که برای عملکرد کارآمد الکترولیز مهم است.
به طور خلاصه، یک الکترولیز قلیایی با استفاده از محلول الکترولیت برای تسهیل انتقال الکترون بین الکترودها و مولکول‌های آب کار می‌کند و در نتیجه گاز هیدروژن و اکسیژن تولید می‌شود.

الکترولیزهای قلیایی معمولاً با استفاده از موادی ساخته می شوند که در برابر خوردگی مقاوم هستند و می توانند در شرایط سخت فرآیند الکترولیز مقاومت کنند. مواد اصلی مورد استفاده در الکترولیزهای قلیایی عبارتند از:

الکترودها:الکترودهای الکترولیزهای قلیایی معمولاً از نیکل، فولاد نیکل اندود شده یا تیتانیوم با آلیاژی مبتنی بر نیکل ساخته می شوند. این مواد در برابر خوردگی مقاوم هستند و می توانند شرایط سخت فرآیند الکترولیز را تحمل کنند.

غشاء:الکترولیزهای قلیایی از الکترولیت مایع KOH استفاده می کنند، بنابراین نیازی به غشاء ندارند.

اجزای سلولی:اجزای سلول در الکترولیزهای قلیایی، مانند قاب سلول، جداکننده و مخازن تحت فشار، معمولاً از موادی مانند فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی یا آلیاژهای نیکل ساخته می شوند. این مواد در برابر خوردگی مقاوم هستند و می توانند شرایط سخت فرآیند الکترولیز را تحمل کنند.

الکترولیزهای قلیایی یک گزینه مقرون به صرفه و کارآمد برای تولید هیدروژن هستند. آنها چندین مزیت نسبت به سایر انواع الکترولیزها دارند، از جمله راندمان انرژی بالاتر، هزینه کم، تولید هیدروژن با خلوص بالا و استحکام مکانیکی. الکترولیزهای قلیایی با استفاده از موادی ساخته می شوند که در برابر خوردگی مقاوم هستند و می توانند در برابر شرایط سخت فرآیند الکترولیز مقاومت کنند، مانند نیکل، فولاد نیکل اندود، تیتانیوم پوشش داده شده با آلیاژ پایه نیکل، فولاد ضد زنگ، فولاد کربن و آلیاژهای نیکل. با استفاده از الکترولیزهای قلیایی، صنایع می توانند هیدروژن با خلوص بالا را به طور موثرتر و با هزینه کمتر تولید کنند و به آینده انرژی پاک تر و پایدارتر کمک کنند.

محصولات در تمام مناطق چین به فروش می رسد و به کشورهای سراسر جهان صادر می شود. آنها در بیش از 20 کشور و منطقه از جمله ایالات متحده، آلمان، مراکش، کنیا، عربستان سعودی، ویتنام، الجزایر، هند، تانزانیا و تایوان فروخته شده اند. با موفقیت شرکت های معروفی مانند هوافضای چین، پتروچاینا، گروه هسته ای چین، بی وای دی، جیولی تخصصی، تونی الکترونیک، گروه انرژی ژنگ و سایر شرکت های معروف را ارائه کرد. بسیاری از ایستگاه های هیدروژن هیدروژن هیدروژن سبز مانند Wulanchabu، Haikou، Hainan، Hainan Haikou، Yunnan Kunming و غیره پروژه های سبز و هیدروژن سازی را ارائه می دهند.