Vistas:3 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2023-04-14 Origen:Sitio
Una pieza central clave de energía renovable generación de hidrógeno es la tecnología de producción de hidrógeno electrolítico altamente eficiente. La producción de hidrógeno por electrólisis es la disociación electroquímica del agua en gas de hidrógeno y oxígeno, que se precipitan en el cátodo y el ánodo, respectivamente, bajo la acción de la corriente continua.
Anodo: H2O → 1/2O2+2H ++ 2E- (1)
Cátodo: 2h+2e- → H2 (2)
Reacción total: H2O → H2+1/2O2 (3)
Dependiendo del sistema de electrolitos, la producción de hidrógeno por electrólisis se puede dividir en tres tipos: electrólisis alcalina, electrólisis de membrana de intercambio de masa (PEM) y electrólisis de óxido sólido. El principio básico de los tres es el mismo, es decir, durante la reacción redox, la reacción redox, la Se evita el intercambio libre de electrones, y el proceso de transferencia de carga se descompone en la transferencia de electrones en el circuito externo y la transferencia de iones en el circuito interno, de modo que se pueda producir y utilizar gas de hidrógeno. Sin embargo, los materiales de los electrodos y Las condiciones de reacción de electrólisis son diferentes, y la comparación técnica entre los tres se muestra a continuación.
La tecnología de electrólisis líquida alcalina utiliza soluciones de agua KOH y NaOH como electrolito y tela de cuarzo como diafragma. La pureza del gas de hidrógeno producido es de aproximadamente el 99% y debe tratarse con niebla desalqualina. Las principales características estructurales de un electrolizado alcalino son un electrolito líquido y una partición porosa. La densidad de corriente de trabajo máxima de un electrolizado alcalino es menos de 400 mA/cm2 y la eficiencia suele ser de alrededor del 60%.La electrólisis líquida alcalina se industrializó a mediados del siglo XX. La tecnología es madura y tiene una vida de 15 a. los principales inconvenientes son los siguientes:
1). En el sistema de electrolitos líquidos, el electrolito alcalino utilizado (por ejemplo, KOH) reaccionará con CO2 en el aire para formar carbonatos (por ejemplo, K2CO3) que son insolubles en condiciones alcalinas, lo que conduce al bloqueo de la capa catalítica porosa, lo que impide que el logro que impide que el transferencia de productos y reactivos y reduciendo en gran medida el rendimiento del electrolizador;
2). Las células electrolíticas líquidas alcalinas tienen largos tiempos de entrega de arranque, una respuesta de carga lenta y siempre deben mantener la ecualización de presión en ambos lados del ánodo y cátodo de la célula electrolítica para evitar que el hidrógeno y el gas de oxígeno se mezclen a través de la membrana de cuarzo poroso y causando una explosión.
La electrólisis de PEM del agua, llamada electrólisis de agua sólida (SPE), funciona en el siguiente principio. El agua (2H2O) crea una reacción de hidrólisis en el ánodo y se divide en un protón (4H+), un electrones (4E-) y gas oxígenado de gas con la ayuda de un campo eléctrico y un catalizador; El proton 4H+ pasa a través de una membrana de intercambio de protones al cátodo con la ayuda de una diferencia de potencial eléctrico; El electrón 4e se realiza a través de un circuito externo para crear la reacción 4H + + 4E- al menos cuatro veces que el de un electrolizador alcalino, y tiene alta eficiencia, alta pureza de gas, densidad de corriente ajustable, bajo consumo de energía, tamaño pequeño, sin solución alcalina y bajo consumo de energía, tiene las ventajas de alta eficiencia, alta pureza de gas, densidad de corriente ajustable, bajo consumo de energía, tamaño pequeño, sin solución alcalina, ambiente verde, seguridad y confiabilidad, y mayor presión de gas, etc. Se reconoce como una de las tecnologías de producción de hidrógeno electrolíticas más prometedoras en el campo de la producción de hidrógeno.
Los componentes principales de una célula hidroeléctrica PEM típica incluyen las placas de cátodo y ánodo, la capa de difusión de gas cátodo y ánodo, la capa de catalizador de cátodo y ánodo y la membrana de intercambio de masa. La placa terminal del cátodo se usa para sostener los componentes de la célula electrolítica y guiar la transferencia de electricidad y la distribución de agua y gas; La capa de difusión de gas cátodo se usa para recolectar el flujo y facilitar la transferencia de gas; La capa catalítica del cátodo es una interfaz trifásica que consiste en catalizador, medio de conducción eléctrica y medio de conducción de masa, y es el sitio central para las reacciones electroquímicas; La membrana de intercambio de masa se usa como un electrolito sólido, generalmente utilizando una membrana de ácido perfluorosulfónico. Como un electrolito sólido, una membrana de ácido perfluorosulfónico generalmente se usa para aislar el cátodo del ánodo y para evitar la transferencia de electricidad mientras se transfiere el sustrato. El agua electrolítica requiere un alto portador de catalizador. El catalizador ideal debe tener alta superficie y porosidad, alta conductividad eléctrica y buenas propiedades electrocatalíticas. El catalizador ideal debe tener alta superficie y porosidad, alta conductividad eléctrica, buenas propiedades electrocatalíticas, a largo plazo Estabilidad mecánica y electroquímica, efecto de burbuja de gas pequeño, alta selectividad, bajo costo y sin toxicidad. Los catalizadores que satisfacen las condiciones anteriores son principalmente metales/óxidos nobles como IR y RU, y sus metales de dos y tridimensionales/óxidos mixtos . Debido a que IR y RU son caros y escasos, los catalizadores para los electrolizadores PEM actuales no están disponibles.
Existe una necesidad urgente de reducir la cantidad de IRO2 utilizada en el electrolizado de agua PEM, ya que la cantidad de IR utilizada en los electrolizeros PEM a menudo excede los 2 mg/cm2. Catalizadores a base de PT disponibles. En esta etapa, la carga de Pt de cátodos electrolíticos PEM es de 0.4 ~ 0.6 mg/cm2.A pesar de las ventajas obvias del acoplamiento de la tecnología de producción de hidrógeno electrolítico PEM con fuentes de energía renovable, se necesita un mayor desarrollo para satisfacer mejor las necesidades de las aplicaciones de energía renovable en las siguientes áreas para satisfacer mejor la demanda de aplicaciones de energía renovable, se necesitan más desarrollos a continuación. Áreas:
(1) aumente el poder de la producción de hidrógeno PEM para que coincida con la demanda de consumo de energía renovable a gran escala;
(2). Para mejorar la densidad actual y la capacidad de trabajar con amplias variaciones de carga para reducir los costos del sistema y lograr un consumo eficiente de energía renovable, así como para facilitar el alcance de la red auxiliar, reducir la carga de la red y mejorar la eficiencia de la eficiencia del uso de energía ;
(3). Aumenten la presión de salida del gas, facilite el almacenamiento y el transporte de gas, reduzca la necesidad de equipos de presurización posteriores y reduzca el consumo general de energía.
Producción de hidrógeno por electrólisis de óxido sólido
Una celda de electrólisis de óxido sólido de alta temperatura (SOEC) es la reacción inversa de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC).El material del cátodo es generalmente cerámica metálica porosa Ni/Ysz, el material del ánodo es principalmente material de óxido de titanato de calcio, y el electrolito intermedio es un conductor de iones de oxígeno YSZ. Una pequeña cantidad de gas de hidrógeno mezclado con vapor de agua entra desde el cátodo (el propósito del propósito de La mezcla de hidrógeno es garantizar una atmósfera reductora en el cátodo y evitar la oxidación del material del cátodo Ni), y se produce una reacción electrolítica en el cátodo, descomponiendo H2 y O2, que pasa a través de la capa de electrolitos a alta temperatura al ánodo , donde pierde su carga y se vuelve o2. % para la producción de hidrógeno. Sin embargo, la estabilidad de los materiales de ánodo y cátodo en condiciones de alta temperatura y humedad y la rápida degradación del sistema de pila durante un largo período de tiempo aún debe resolverse. Como resultado, la tecnología SOEC aún está en la etapa de desarrollo de la tecnología, Con algunos pequeños proyectos de demostración en Karlsruhe, Alemania, apoyados por proyectos como Helmeth.
