الکترولیز آب برای هیدروژن

الکترولیز یک گزینه امیدوارکننده برای تولید هیدروژن بدون کربن از منابع تجدیدپذیر و هسته ای است. الکترولیز فرآیند استفاده از الکتریسیته برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن است. این واکنش در واحدی به نام الکترولیز انجام می شود. الکترولایزرها می توانند از نظر اندازه از تجهیزات کوچک و در اندازه دستگاه که برای تولید هیدروژن توزیع شده در مقیاس کوچک مناسب هستند تا تأسیسات تولید مرکزی در مقیاس بزرگ که می توانند مستقیماً به اشکال تجدیدپذیر یا سایر اشکال غیر گازهای گلخانه ای مرتبط شوند متفاوت باشند. تولید برق

چگونه کار می کند
الکترولیزها مانند پیل سوختی از یک آند و یک کاتد تشکیل شده اند که توسط یک الکترولیت از هم جدا شده اند. الکترولیزهای مختلف به روش‌های متفاوتی عمل می‌کنند، که عمدتاً به دلیل نوع مختلف مواد الکترولیت درگیر و گونه‌های یونی آن است.

الکترولیزهای غشایی الکترولیت پلیمری
در الکترولیز غشایی الکترولیت پلیمری (PEM)، الکترولیت یک ماده پلاستیکی ویژه است.

آب در آند واکنش نشان می دهد و اکسیژن و یون های هیدروژن (پروتون) با بار مثبت تشکیل می دهد.
الکترون ها از طریق یک مدار خارجی جریان می یابند و یون های هیدروژن به طور انتخابی در سراسر PEM به سمت کاتد حرکت می کنند.
در کاتد، یون های هیدروژن با الکترون های مدار خارجی ترکیب می شوند و گاز هیدروژن را تشکیل می دهند. واکنش آند: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- واکنش کاتدی: 4H+ + 4e- → 2H2

الکترولیزهای قلیایی
الکترولیزهای قلیایی از طریق انتقال یون های هیدروکسید (OH-) از طریق الکترولیت از کاتد به آند با هیدروژن تولید شده در سمت کاتد عمل می کنند. الکترولیزهایی که از محلول قلیایی مایع هیدروکسید سدیم یا پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می کنند، سال هاست که به صورت تجاری در دسترس بوده اند. رویکردهای جدیدتر با استفاده از غشاهای تبادل قلیایی جامد (AEM) به عنوان الکترولیت در مقیاس آزمایشگاهی امیدوارکننده هستند.

الکترولیزهای اکسید جامد
الکترولیزهای اکسید جامد، که از یک ماده سرامیکی جامد به عنوان الکترولیت استفاده می کنند که به طور انتخابی یون های اکسیژن با بار منفی (O2-) را در دماهای بالا هدایت می کند، هیدروژن را به روشی کمی متفاوت تولید می کنند.
بخار در کاتد با الکترون‌های مدار خارجی ترکیب می‌شود و گاز هیدروژن و یون‌های اکسیژن با بار منفی تشکیل می‌دهد.
یون های اکسیژن از غشای سرامیکی جامد عبور می کنند و در آند واکنش می دهند تا گاز اکسیژن را تشکیل دهند و برای مدار خارجی الکترون تولید کنند.
الکترولایزرهای اکسید جامد باید در دماهای بالا کار کنند تا غشاهای اکسید جامد به درستی کار کنند (حدود 700 درجه تا 800 درجه، در مقایسه با الکترولیزهای PEM که در دمای 70-90 درجه کار می کنند و الکترولایزرهای قلیایی تجاری که معمولاً در دمای کمتر از کار می کنند. 100 درجه). الکترولیزهای اکسید جامد پیشرفته در مقیاس آزمایشگاهی مبتنی بر الکترولیت‌های سرامیکی رسانای پروتون، نویدبخش کاهش دمای عملیاتی به 500-600 درجه هستند. الکترولیزهای اکسید جامد می توانند به طور موثر از گرمای موجود در این دماهای بالا (از منابع مختلف، از جمله انرژی هسته ای) برای کاهش مقدار انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تولید هیدروژن از آب استفاده کنند.

چرا این مسیر در نظر گرفته شده است
الکترولیز یک مسیر تولید هیدروژن پیشرو برای دستیابی به هدف Earthshot Energy Hydrogen برای کاهش هزینه هیدروژن تمیز به میزان 80٪ به 1 دلار در هر کیلوگرم در 1 دهه است ("1 1 1"). هیدروژن تولید شده از طریق الکترولیز بسته به منبع برق مصرفی می تواند منجر به انتشار گازهای گلخانه ای صفر شود. منبع الکتریسیته مورد نیاز - از جمله هزینه و کارایی آن، و همچنین انتشارات ناشی از تولید برق - باید هنگام ارزیابی مزایا و قابلیت اقتصادی تولید هیدروژن از طریق الکترولیز در نظر گرفته شود. در بسیاری از مناطق کشور، شبکه برق امروزی به دلیل گازهای گلخانه ای آزاد شده و میزان سوخت مورد نیاز به دلیل راندمان پایین فرآیند تولید برق، برای تامین برق مورد نیاز برای الکترولیز ایده آل نیست. تولید هیدروژن از طریق الکترولیز برای گزینه های انرژی تجدیدپذیر (بادی، خورشیدی، آبی، زمین گرمایی) و انرژی هسته ای دنبال می شود. این مسیرهای تولید هیدروژن منجر به انتشار گازهای گلخانه ای و معیارهای آلاینده عملاً صفر می شود. با این حال، هزینه تولید باید به طور قابل توجهی کاهش یابد تا بتواند با مسیرهای مبتنی بر کربن بالغ‌تر مانند اصلاح گاز طبیعی رقابت کند.

پتانسیل برای هم افزایی با تولید انرژی تجدیدپذیر
تولید هیدروژن از طریق الکترولیز ممکن است فرصت‌هایی را برای هم افزایی با تولید برق پویا و متناوب، که مشخصه برخی از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر است، ارائه دهد. به عنوان مثال، اگرچه هزینه انرژی بادی به کاهش خود ادامه داده است، اما تنوع ذاتی باد مانعی برای استفاده موثر از نیروی باد است. سوخت هیدروژنی و تولید برق می‌توانند در مزرعه بادی ادغام شوند و به انعطاف‌پذیری اجازه می‌دهند تا تولید را به بهترین نحو با منابع موجود با نیازهای عملیاتی سیستم و عوامل بازار مطابقت دهد. همچنین در مواقع تولید الکتریسیته اضافی از مزارع بادی، به جای کاهش مصرف برق به طور معمول، می توان از این برق اضافی برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز استفاده کرد.

لازم به ذکر است ...
برق شبکه امروزی منبع ایده‌آل الکتریسیته برای الکترولیز نیست، زیرا بیشتر برق با استفاده از فناوری‌هایی تولید می‌شود که منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای و انرژی بر هستند. تولید برق با استفاده از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر یا انرژی هسته‌ای، یا جدا از شبکه، یا به عنوان بخشی رو به رشد از ترکیب شبکه، یک گزینه ممکن برای غلبه بر این محدودیت‌ها برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز است.

در یک فرآیند الکترولیز، دو فرآیند یونیزاسیون مختلف به طور همزمان در حال انجام است. هر دو آب و الکترولیت در این مورد با هم رقابت می کنند.

یک الکترولیت همانند آب تحت فرآیند یونیزاسیون قرار می گیرد. همان اکسیداسیون و کاهش در یک الکترولیت اتفاق می افتد.
از آنجایی که یک آنیون از الکترولیت با یون های هیدروکسید برای رها کردن الکترون رقابت می کند و یک کاتیون با یون هیدروژن برای کاهش با پذیرش الکترون رقابت می کند، الکترولیت باید با دقت انتخاب شود.

کاتیون الکترولیت باید پتانسیل الکترودی کمتری نسبت به H+ داشته باشد. همیشه به یاد داشته باشید که در هر الکترولیز پتانسیل الکترود کاتیون الکترولیت باید کمتر از پتانسیل الکترود کاتیون ماده الکترولیز شده باشد و پتانسیل الکترود آنیون الکترولیت باید بیشتر از پتانسیل الکترود آنیون باشد. ماده ای که الکترولیز می شود

تولید هیدروژن سبز با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر علاقه کافی به الکترولیز آب برای تولید هیدروژن را برانگیخته است. الکترولیز آب با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر بدون انتشار CO2 به عنوان یک روش امیدوارکننده برای افزایش نرخ تولید هیدروژن در نظر گرفته می شود. در سال 2020، تقریباً 87 میلیون تن هیدروژن در سراسر جهان برای مصارف مختلف، از جمله پالایش نفت، تولید آمونیاک (NH3) (از طریق فرآیند هابر) و متانول (CH3OH) (از طریق کاهش مونوکسید کربن [CO]) تولید شد. یک سوخت حمل و نقل انتظار می رود تقاضا برای هیدروژن تا سال 2050 به 500-680 میلیون تن برسد. ارزش بازار تولید هیدروژن از سال 2020 تا 2021 به 130 میلیارد دلار رسیده است و انتظار می رود تا سال 2030 با نرخ سالانه 9.2 درصد رشد کند. اما یک نکته وجود دارد: بیش از 95 درصد از تولید کنونی هیدروژن بر اساس سوخت های فسیلی است که مقدار بسیار کمی از آن "سبز" است. امروزه تولید هیدروژن 6 درصد گاز طبیعی جهانی و 2 درصد زغال سنگ جهان را مصرف می کند. با این وجود، فناوری های تولید هیدروژن سبز در حال افزایش محبوبیت هستند.

الکترولیز فرآیندی است که از الکتریسیته برای تقسیم آب به H2 و O2 استفاده می کند. جریان الکترون ها از طریق یک مسیر رسانا، مانند یک سیم، همان الکتریسیته است. این مسیر به مدار معروف است. الکترون ها به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی بین آند و کاتد حرکت می کنند. آند الکترون های بیشتری دارد و به دلیل ازدحام الکترون ها ناپایدارتر است. الکترون ها می خواهند خود را دوباره مرتب کنند تا تفاوت را از بین ببرند. الکترون ها یکدیگر را دفع می کنند و سعی می کنند به مکانی با الکترون های کمتر حرکت کنند. که یک کاتد است.
از آنجایی که آب خالص جریان الکتریسیته را هدایت نمی کند، تقسیم آب یک واکنش ردوکس آهسته است.

علم شیمی
در الکترولایزر یک کاتد و یک آند متصل به منبع تغذیه وجود دارد. الکترون ها همیشه بدون توجه به هر چیزی از آند به کاتد جریان می یابند. کاتد همیشه جایی است که کاهش رخ می دهد، بنابراین الکترون ها باید آنجا باشند. اکسیداسیون از دست دادن الکترون ها و کاهش به دست آوردن الکترون ها است.
به طور خلاصه، در کاتد با بار منفی، یک واکنش کاهشی انجام می‌شود و الکترون‌های (e-) از کاتد به کاتیون‌های هیدروژن داده می‌شوند تا گاز هیدروژن را تشکیل دهند.
کاتد (کاهش): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
در آند با بار مثبت، یک واکنش اکسیداسیون رخ می دهد و گاز اکسیژن تولید می کند و الکترون هایی به آند می دهد تا مدار کامل شود.
آند (اکسیداسیون): 2 OH-(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e-
ترکیبی از این واکنش ها تولید می کند:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 در کاتد و O2 در آند تولید می شود.
الکترولیز آب به حداقل اختلاف پتانسیل 1.23 ولت نیاز دارد، اگرچه در آن ولتاژ گرمای خارجی از محیط مورد نیاز است.

پشته های سلول دوقطبی الکترولیز آب از تعداد زیادی سلول الکتروشیمیایی منفرد در سری های الکتریکی تشکیل شده اند. در عمل، پشته های سلول الکترولیز آب که به تازگی متوقف شده اند، می توانند بار الکتریکی قابل توجهی را به دلیل باقی مانده هیدروژن و اکسیژن در هر سلول حفظ کنند. اگر به حال خود رها شود، ممکن است ساعت های زیادی طول بکشد تا این بار الکتروشیمیایی باقیمانده از بین برود. پرسنل خدمات و تعمیر و نگهداری سیستم باید در صورت تلاش برای سرویس یا تعویض این پشته های سلولی بلافاصله پس از عملیات، بسیار احتیاط کنند. به عنوان مثال، یک ابزار فلزی مانند یک آچار می‌تواند به طور ناخواسته شکافی را بین صفحه پایانه جریان مثبت پشته سلولی و یک قاب پشتی فلزی متصل به زمین ایجاد کند و یک جریان بزرگ یا یک قوس الکتریکی با آسیب و آسیب به عنوان یک نتیجه ناخواسته ایجاد کند. پرسنلی که از تجهیزات حفاظتی عایق مناسب استفاده نمی کنند نیز در معرض خطر هستند.

بهترین روش برای پرسنل تعمیر و نگهداری این است که قبل از برداشتن محافظ های ایمنی و اتصالات الکتریکی از پشته سلول، بررسی کنند که هیچ بار الکتریکی قابل توجهی در پشته سلول باقی نمی ماند. به پرسنل توصیه می شود برای بررسی تخلیه پشته سلولی، اندازه گیری ولتاژ پشته سلولی را انجام دهند. در برخی موارد، پرسنل خدمات نیز ممکن است از یک ابزار خدماتی با طراحی مناسب متشکل از یک مقاومت کوتاه جریان بالا در سراسر پشته سلول تخلیه شده به عنوان حفاظت اضافی استفاده 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.