Hidrojen İçin Su Elektrolizörü

Elektroliz, yenilenebilir ve nükleer kaynaklardan karbonsuz hidrojen üretimi için umut verici bir seçenektir. Elektroliz, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik kullanma işlemidir. Bu reaksiyon elektrolizör adı verilen bir ünitede gerçekleşir. Elektrolizörlerin boyutları, küçük ölçekli dağıtılmış hidrojen üretimi için çok uygun olan küçük, cihaz boyutunda ekipmanlardan, doğrudan yenilenebilir veya sera gazı yaymayan diğer formlara bağlanabilecek büyük ölçekli, merkezi üretim tesislerine kadar değişebilir. elektrik üretimi.

O nasıl çalışır
Yakıt hücreleri gibi elektrolizörler de bir elektrolitle ayrılmış bir anot ve bir katottan oluşur. Farklı elektrolizörler, esas olarak ilgili elektrolit malzemesinin farklı türü ve ilettiği iyonik türler nedeniyle farklı şekillerde çalışır.

Polimer Elektrolit Membran Elektrolizörleri
Bir polimer elektrolit membranlı (PEM) elektrolizörde elektrolit, katı, özel bir plastik malzemedir.

Su, anotta reaksiyona girerek oksijen ve pozitif yüklü hidrojen iyonları (protonlar) oluşturur.
Elektronlar harici bir devre üzerinden akar ve hidrojen iyonları seçici olarak PEM üzerinden katoda doğru hareket eder.
Katotta hidrojen iyonları dış devredeki elektronlarla birleşerek hidrojen gazı oluşturur. Anot Reaksiyonu: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katot Reaksiyonu: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkali Elektrolizörler
Alkali elektrolizörler, hidroksit iyonlarının (OH-) elektrolit yoluyla katottan anoda taşınması ve katot tarafında hidrojen üretilmesi yoluyla çalışır. Elektrolit olarak sodyum veya potasyum hidroksitin sıvı alkalin çözeltisini kullanan elektrolizörler uzun yıllardan beri ticari olarak mevcuttur. Elektrolit olarak katı alkalin değişim membranlarını (AEM) kullanan daha yeni yaklaşımlar laboratuvar ölçeğinde umut vaat ediyor.

Katı Oksit Elektrolizörleri
Yüksek sıcaklıklarda negatif yüklü oksijen iyonlarını (O2-) seçici olarak ileten elektrolit olarak katı bir seramik malzeme kullanan katı oksit elektrolizörleri, hidrojeni biraz farklı bir şekilde üretir.
Katottaki buhar, dış devredeki elektronlarla birleşerek hidrojen gazı ve negatif yüklü oksijen iyonları oluşturur.
Oksijen iyonları katı seramik membrandan geçer ve anotta reaksiyona girerek oksijen gazı oluşturur ve dış devre için elektronlar üretir.
Katı oksit elektrolizörleri, katı oksit membranlarının düzgün çalışması için yeterince yüksek sıcaklıklarda çalışmalıdır (70 derece –90 derece arasında çalışan PEM elektrolizörleri ve tipik olarak 100 derece). Proton ileten seramik elektrolitlere dayanan gelişmiş laboratuvar ölçekli katı oksit elektrolizörleri, çalışma sıcaklığını 500 derece –600 dereceye düşürme konusunda umut vaat ediyor. Katı oksit elektrolizörleri, sudan hidrojen üretmek için gereken elektrik enerjisi miktarını azaltmak için bu yüksek sıcaklıklarda (nükleer enerji dahil çeşitli kaynaklardan gelen) mevcut ısıyı etkili bir şekilde kullanabilir.

Bu Yol Neden Düşünülüyor?
Elektroliz, temiz hidrojenin maliyetini 1 on yıl içinde %80 oranında 1 kilogram başına 1 ABD dolarına düşürmeyi öngören Hydrogen Energy Earthshot hedefine ulaşmak için önde gelen bir hidrojen üretim yoludur ("1 1 1"). Elektroliz yoluyla üretilen hidrojen, kullanılan elektriğin kaynağına bağlı olarak sıfır sera gazı emisyonuyla sonuçlanabilir. Elektroliz yoluyla hidrojen üretiminin faydaları ve ekonomik sürdürülebilirliği değerlendirilirken gerekli elektriğin kaynağı (maliyeti ve verimliliği ile elektrik üretiminden kaynaklanan emisyonlar dahil) dikkate alınmalıdır. Ülkenin pek çok bölgesinde, açığa çıkan sera gazları ve elektrik üretim prosesindeki verimin düşük olması nedeniyle ihtiyaç duyulan yakıt miktarı nedeniyle günümüz elektrik şebekesi, elektroliz için gerekli elektriğin sağlanması açısından ideal değildir. Yenilenebilir (rüzgar, güneş, hidro, jeotermal) ve nükleer enerji seçenekleri için elektroliz yoluyla hidrojen üretimi sürdürülmektedir. Bu hidrojen üretim yolları neredeyse sıfır sera gazı ve kriter kirletici emisyonlarıyla sonuçlanır; ancak doğal gaz reformu gibi daha olgun karbon bazlı yöntemlerle rekabet edebilmek için üretim maliyetinin önemli ölçüde azaltılması gerekiyor.

Yenilenebilir enerjiden elektrik üretimi ile sinerji potansiyeli
Elektroliz yoluyla hidrojen üretimi, bazı yenilenebilir enerji teknolojilerinin özelliği olan dinamik ve aralıklı enerji üretimi ile sinerji fırsatları sunabilir. Örneğin, rüzgar enerjisinin maliyeti düşmeye devam etse de, rüzgarın doğası gereği değişkenliği, rüzgar enerjisinin etkin kullanımına engel teşkil etmektedir. Hidrojen yakıtı ve elektrik enerjisi üretimi bir rüzgar santralinde entegre edilebilir ve bu da üretimin kaynak kullanılabilirliğini sistemin operasyonel ihtiyaçları ve pazar faktörleriyle en iyi şekilde eşleştirecek şekilde kaydırılmasına olanak tanır. Ayrıca rüzgar santrallerinden elektrik üretiminin fazla olduğu dönemlerde, yaygın olarak yapıldığı gibi elektriği kısmak yerine, bu fazla elektriği elektroliz yoluyla hidrojen üretmek için kullanmak mümkün.

Şunu belirtmek önemlidir...
Günümüzün şebeke elektriği, elektroliz için ideal elektrik kaynağı değildir; çünkü elektriğin çoğu, sera gazı emisyonlarına yol açan ve enerji yoğun teknolojiler kullanılarak üretilmektedir. Şebekeden ayrı olarak veya şebeke karışımının büyüyen bir parçası olarak yenilenebilir veya nükleer enerji teknolojilerini kullanan elektrik üretimi, elektroliz yoluyla hidrojen üretimine yönelik bu sınırlamaların üstesinden gelmek için olası bir seçenektir.

Bir elektroliz işleminde aynı anda iki farklı iyonizasyon işlemi gerçekleşmektedir. Bu durumda hem su hem de elektrolit rekabet halindedir.

Elektrolit su ile aynı iyonlaşma sürecinden geçer. Aynı oksidasyon ve indirgeme bir elektrolitte de meydana gelir.
Elektrolitteki bir anyon, bir elektronu vermek için hidroksit iyonlarıyla rekabet ettiğinden ve bir katyon, elektronu kabul ederek indirgenmek için hidrojen iyonuyla rekabet ettiğinden, bir elektrolitin dikkatli seçilmesi gerekir.

Elektrolitin katyonunun elektrot potansiyeli H+'dan daha düşük olmalıdır. Herhangi bir elektrolizde, elektrolitin katyonunun elektrot potansiyelinin, elektrolize edilen maddenin katyonunun elektrot potansiyelinden daha az olması gerektiğini ve elektrolitin anyonunun elektrot potansiyelinin, elektrolitin anyonunun elektrot potansiyelinden daha fazla olması gerektiğini daima unutmayın. elektrolize edilen madde.

Yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak yeşil hidrojen üretimi, hidrojen üretmek için suyun elektrolizine yeterince ilgi uyandırdı. CO2 emisyonu olmayan yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan su elektrolizi, hidrojen üretim oranını artırmanın umut verici bir yöntemi olarak görülüyor. 2020 yılında dünya çapında yaklaşık 87 milyon ton hidrojen, petrol rafinasyonu, amonyak (NH3) (Haber prosesi yoluyla) ve metanol (CH3OH) (karbon monoksit [CO] azaltımı yoluyla) üretimi dahil olmak üzere çeşitli kullanımlar için üretildi. bir ulaşım yakıtı. Hidrojen talebinin 2050 yılına kadar 500-680 milyon MT'ye ulaşması bekleniyor. Hidrojen üretim pazarının değeri 2020'den 2021'e kadar 130 milyar dolar olarak belirlendi ve 2030'a kadar yıllık %9,2 oranında büyümesi bekleniyor. Ancak bir sorun var: Mevcut hidrojen üretiminin %95'inden fazlası fosil yakıtlara dayanmaktadır ve çok azı "yeşil"dir. Günümüzde hidrojen üretimi küresel doğalgazın %6'sını, küresel kömürün ise %2'sini tüketmektedir. Bununla birlikte, yeşil hidrojen üretim teknolojileri popülerlik kazanmaktadır.

Elektroliz, suyu H2 ve O2'ye ayırmak için elektrik kullanan bir işlemdir. Elektrik, tel gibi iletken bir yol boyunca elektronların akışıdır. Bu yola devre denir. Elektronlar anot ve katot arasındaki elektriksel potansiyel farkından dolayı hareket ederler. Anot daha fazla elektrona sahiptir ve elektron kalabalığından dolayı daha kararsızdır. Elektronlar farkı ortadan kaldırmak için kendilerini yeniden düzenlemek isterler. Elektronlar birbirini iterek daha az elektronun bulunduğu yere doğru hareket etmeye çalışırlar. Bu bir katottur.
Saf su elektriği iletmediği için suyun parçalanması yavaş bir redoks reaksiyonudur.

Kimya
Elektrolizörde bir güç kaynağına bağlı bir katot ve bir anot bulunmaktadır. Elektronlar ne olursa olsun her zaman anottan katoda akar. Katot her zaman indirgemenin gerçekleştiği yerdir, bu nedenle elektronların orada olması gerekir. Oksidasyon elektron kaybı, redüksiyon ise elektron kazanımıdır.
Kısaca, negatif yüklü katotta, katottaki elektronların (e−) hidrojen katyonlarına verilerek hidrojen gazı oluşturmasıyla bir indirgeme reaksiyonu gerçekleşir.
Katot (indirgeme):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Pozitif yüklü anotta bir oksidasyon reaksiyonu meydana gelir, oksijen gazı üretilir ve devreyi tamamlamak için anoda elektronlar verilir.
Anot (yükseltgenme): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Bu reaksiyonların bir kombinasyonu şunları üretir:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Katotta H2, anotta O2 üretilir.
Suyun elektrolizi minimum 1,23 voltluk bir potansiyel farkı gerektirir, ancak bu voltajda çevreden harici ısı gerekir.

Su elektrolizi bipolar hücre yığınları, elektrik serilerindeki birçok ayrı elektrokimyasal hücreden oluşur. Uygulamada, henüz durdurulmuş olan su elektroliz hücre yığınları, her bir hücrenin içinde kalan hidrojen ve oksijen kalıntısı nedeniyle önemli bir elektrik yükünü tutabilmektedir. Tek başına bırakıldığında, bu kalan elektrokimyasal yükün dağılması saatler alabilir. Sistem servis ve bakım personeli, çalışmadan hemen sonra bu hücre yığınlarına servis vermeye veya değiştirmeye çalışırsa çok dikkatli davranmalıdır. Örneğin, İngiliz anahtarı gibi bir metal alet, hücre yığını pozitif akım terminal plakası ile topraklanmış metal destek çerçevesi arasındaki boşluğu yanlışlıkla kapatabilir, büyük bir akım veya elektrik arkı çekerek istenmeyen bir sonuç olarak hasara ve yaralanmaya neden olabilir. Uygun yalıtkan koruyucu ekipman giymeyen personel de risk altındadır.

Bakım ve servis personeli için en iyi uygulama, güvenlik korumalarını ve elektrik bağlantılarını hücre kümesinden çıkarmadan önce hücre kümesinde önemli bir elektrik yükünün kalmadığını doğrulamaktır. Personelin, hücre yığınının boşaldığını doğrulamak için hücre yığını voltaj ölçümü yapması tavsiye edilir. Bazı durumlarda servis personeli, ek bir koruma olarak boşalmış hücre yığını boyunca yüksek akımlı bir kısa devre direncinden oluşan uygun şekilde tasarlanmış bir servis aracını da uygulayabilir.

Ürünler Çin'in tüm bölgelerinde satılmakta ve dünya ülkelerine ihraç edilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Almanya, Fas, Kenya, Suudi Arabistan, Vietnam, Cezayir, Hindistan, Tanzanya ve Tayvan dahil olmak üzere 20'den fazla ülke ve bölgede satıldılar. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ve diğer tanınmış şirketler gibi tanınmış şirketlere başarıyla hizmet verildi. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming gibi birçok yeşil hidrojen hidrojenasyon istasyonu yeşil ve hidrojen üretim projeleri sağlıyor.