Три технических маршрута получения водорода из электролитической воды – щелочной, ПОМ и твердооксидный электролизеры.
В принципе, электролиз воды для получения водорода представляет собой электрохимический процесс, при котором молекулы воды диссоциируют на водород и кислород соответственно на катоде и аноде под действием постоянного тока. В зависимости от принципа реакции различают три основных варианта: электролиз в щелочной воде (АЛК ), электролиз в чистой воде с протонообменными мембранами (ПОМ ) и электролиз в твердой оксидной воде (СОЭК ). Щелочной водный электролиз (АЛК ) и электролиз с протонообменной мембраной (ПОМ ) для производства водорода были запущены в коммерческую эксплуатацию, в то время как электролиз твердого оксида находится на стадии лабораторной разработки.
Щелочной электролиз (АЛК ): Щелочной электролиз использует щелочной водный раствор, такой как КОН , в качестве электролита и нетканую ткань (фтор или фтор-хлорполимер) в качестве диафрагмы для электролиза воды с получением водорода и кислорода под постоянным током. Выход газа пропорционален току, а потребление электроэнергии на единицу выхода газа связано с напряжением электролиза и температурой реакции. Теоретическое напряжение разложения воды составляет 1,23 В, а теоретическая потребляемая мощность составляет 2,95 кВтч/м3, в то время как фактическая потребляемая мощность при электролизе щелочной воды составляет около 5,5 кВтч/м3, а эффективность преобразования электролизера составляет около 60%.
АЛК был коммерчески доступен в течение почти 100 лет, и технология является относительно зрелой, со сроком службы 15-20 лет, а стоимость составляет лишь одну пятую от стоимости электролизера ПОМ того же размера.
Недостатки: большой размер, низкий КПД и медленный динамический отклик. 1) Размер щелочного электролизера намного больше, чем у электролизера с ПОМ для того же масштаба производства водорода из-за низкой скорости реакции и низкой плотности тока из-за использования катализаторов из неблагородных металлов. 2) Щелочной раствор очень требователен к обслуживанию и поэтому требует частого обслуживания. 3) Время холодного пуска электролизера АЛК составляет 1-2 часа из-за расхода электроэнергии, необходимой для нагрева электролита. 4) динамика щелочного электролизера медленная и не позволяет хорошо отслеживать колебания выработки возобновляемой энергии. Кроме того, для обеспечения чистоты производства водорода щелочной электролизер должен поддерживать уровень мощности более 20% от его номинальной мощности,
Электролизеры с протонообменной мембраной (ПОМ ): электролиз воды ПОМ для производства водорода и рабочие процессы топливных элементов ПОМ являются процессами, обратными друг другу. Основные компоненты типичной ячейки ПОМ включают мембранные электроды (протонообменная мембрана, каталитический слой, диффузионный слой), биполярные пластины, пластины из эпоксидной смолы и торцевые пластины. Каталитический слой представляет собой трехфазную границу раздела, состоящую из катализатора, среды переноса электронов и среды переноса протонов, которая является ядром электрохимической реакции. Протонообменная мембрана используется в качестве твердого электролита, обычно мембрана из перфторсульфоновой кислоты, изолировать катод от генерирующего газа, предотвратить передачу электронов и передачу протонов.
Преимущества: высокая эффективность, отсутствие щелочного раствора, небольшой размер, безопасность и надежность, хорошие динамические характеристики и т. д. Соответствующее энергопотребление технологии электролиза ПОМ составляет примерно 5,0 кВтч/м3, а эффективность составляет примерно 70%. По сравнению с АЛК , системы электролиза воды ПОМ не требуют удаления щелочи. В то же время электролизеры ПОМ более компактны и динамичны, что делает их идеальными для последовательного использования с нестабильными возобновляемыми источниками энергии.
Недостаток: высокая стоимость из-за необходимости использования драгоценных металлов. В настоящее время в качестве катализаторов могут использоваться только драгоценные металлы, такие как иридий и рутений. Снижение стоимости материала катализатора и электролизера, особенно содержания драгоценных металлов в катодных и анодных электрокатализаторах, а также повышение эффективности и срока службы электролизера является ключевым приоритетом исследований при разработке электролиза воды с ПОМ для производства водорода. .
Электролизер твердых оксидов (СОЭК ): работающий при температуре около 800°C, это очень многообещающая технология электролиза воды по сравнению со щелочным электролизом и электролизом ПОМ , которые работают при температуре около 80°C. Он все еще находится на стадии лабораторной разработки. Материал катода для высокотемпературного СОЭК обычно представляет собой пористый кермет ни / ЯСЗ (оксид циркония, легированный иттрием), а материал анода - в основном оксид халькогенида с возможностью использования LSCF (лантан-стронций-кобальт-железо) в будущем. Промежуточный электролит представляет собой проводник ионов кислорода ЯСЗ . Водяной пар, смешанный с небольшим количеством водорода, поступает с катода (цель смешивания водорода - обеспечить восстановительную атмосферу на катоде и предотвратить окисление материала катода ни ), где происходит реакция электролиза с образованием H2 и О2-, который проходит через слой электролита к аноду, где теряет электроны с образованием О2. СОЭК также является обратной операцией СОЭФ .
(1) В отличие от электролиза щелочной воды и электролиза воды ПОМ , высокотемпературный электролиз воды с твердым оксидом использует твердый оксид в качестве материала электролита и работает при 800-1000 ° C. Электрохимические характеристики процесса производства водорода значительно улучшены, а эффективность использования энергии выше, достигая ≥90%; (2) Электролизер может использовать катализаторы из недрагоценных металлов и полностью изготовлен из керамических материалов, что снижает проблему коррозии оборудования. Проблема коррозии оборудования снижается.
Недостатки: плохая стойкость. Окружающая среда с высокой температурой и влажностью ограничивает выбор материалов для электролизера, которые являются стабильными, долговечными и устойчивыми к гниению, ограничивая выбор сценариев применения технологии производства водорода СОЭК и его широкое использование.