Electrolyzer Dŵr Ar gyfer Hydrogen

Mae electrolysis yn opsiwn addawol ar gyfer cynhyrchu hydrogen di-garbon o adnoddau adnewyddadwy a niwclear. Electrolysis yw'r broses o ddefnyddio trydan i hollti dŵr yn hydrogen ac ocsigen. Mae'r adwaith hwn yn digwydd mewn uned o'r enw electrolyzer. Gall electrolyzers amrywio o ran maint o offer bach, maint offer sy'n addas iawn ar gyfer cynhyrchu hydrogen gwasgaredig ar raddfa fach i gyfleusterau cynhyrchu canolog ar raddfa fawr y gellid eu cysylltu'n uniongyrchol â ffurfiau adnewyddadwy neu fathau eraill o nwyon tŷ gwydr nad ydynt yn allyrru nwyon. cynhyrchu trydan.

Sut Mae'n Gweithio
Fel celloedd tanwydd, mae electrolyzers yn cynnwys anod a catod wedi'u gwahanu gan electrolyt. Mae gwahanol electrolyzers yn gweithredu mewn gwahanol ffyrdd, yn bennaf oherwydd y math gwahanol o ddeunydd electrolyte dan sylw a'r rhywogaethau ïonig y mae'n eu cynnal.

Electrolyzers bilen Polymer Electrolyte
Mewn electrolyzer bilen electrolyt polymer (PEM), mae'r electrolyte yn ddeunydd plastig arbenigol solet.

Mae dŵr yn adweithio yn yr anod i ffurfio ocsigen ac ïonau hydrogen â gwefr bositif (protonau).
Mae'r electronau'n llifo trwy gylched allanol ac mae'r ïonau hydrogen yn symud yn ddetholus ar draws y PEM i'r catod.
Yn y catod, mae ïonau hydrogen yn cyfuno ag electronau o'r gylched allanol i ffurfio nwy hydrogen. Adwaith Anod: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Adwaith Cathod: 4H+ + 4e- → 2H2

Electrolyzers alcalïaidd
Mae electrolyzers alcalïaidd yn gweithredu trwy gludo ïonau hydrocsid (OH-) trwy'r electrolyte o'r catod i'r anod gyda hydrogen yn cael ei gynhyrchu ar ochr y catod. Mae electrolytes sy'n defnyddio hydoddiant alcalïaidd hylif o sodiwm neu potasiwm hydrocsid fel yr electrolyte wedi bod ar gael yn fasnachol ers blynyddoedd lawer. Mae dulliau mwy newydd sy'n defnyddio pilenni cyfnewid alcalïaidd solet (AEM) fel yr electrolyte yn dangos addewid ar raddfa labordy.

Electrolyzers Solid Ocsid
Mae electrolyzers solid ocsid, sy'n defnyddio deunydd ceramig solet fel yr electrolyte sy'n dargludo ïonau ocsigen â gwefr negyddol (O2-) yn ddetholus ar dymheredd uchel, yn cynhyrchu hydrogen mewn ffordd ychydig yn wahanol.
Mae stêm yn y catod yn cyfuno ag electronau o'r gylched allanol i ffurfio nwy hydrogen ac ïonau ocsigen â gwefr negatif.
Mae'r ïonau ocsigen yn mynd drwy'r bilen seramig solet ac yn adweithio yn yr anod i ffurfio nwy ocsigen a chynhyrchu electronau ar gyfer y gylched allanol.
Rhaid i electrolyzers ocsid solid weithredu ar dymheredd sy'n ddigon uchel i'r pilenni ocsid solet weithredu'n iawn (tua 700 gradd -800 gradd, o'i gymharu ag electrolyzers PEM, sy'n gweithredu ar 70 gradd -90 gradd, ac electrolyzers alcalïaidd masnachol, sydd fel arfer yn gweithredu ar lai na 100 gradd). Mae electrolyzers ocsid solet uwch ar raddfa labordy yn seiliedig ar electrolytau ceramig sy'n dargludo proton yn dangos addewid i ostwng y tymheredd gweithredu i 500 gradd -600 gradd. Gall yr electrolyzers solid ocsid ddefnyddio'r gwres sydd ar gael ar y tymereddau uchel hyn yn effeithiol (o amrywiol ffynonellau, gan gynnwys ynni niwclear) i leihau faint o ynni trydanol sydd ei angen i gynhyrchu hydrogen o ddŵr.

Pam Mae'r Llwybr Hwn yn cael ei Ystyried
Mae electrolysis yn llwybr cynhyrchu hydrogen blaenllaw i gyflawni nod Hydrogen Energy Earthshot o leihau cost hydrogen glân 80% i $1 fesul 1 cilogram mewn 1 degawd ("1 1 1"). Gall hydrogen a gynhyrchir drwy electrolysis arwain at ddim allyriadau nwyon tŷ gwydr, yn dibynnu ar ffynhonnell y trydan a ddefnyddir. Rhaid ystyried ffynhonnell y trydan sydd ei angen - gan gynnwys ei gost a'i effeithlonrwydd, yn ogystal ag allyriadau sy'n deillio o gynhyrchu trydan - wrth werthuso buddion a hyfywedd economaidd cynhyrchu hydrogen trwy electrolysis. Mewn llawer o ranbarthau yn y wlad, nid yw grid pŵer heddiw yn ddelfrydol ar gyfer darparu'r trydan sydd ei angen ar gyfer electrolysis oherwydd y nwyon tŷ gwydr a ryddhawyd a faint o danwydd sydd ei angen oherwydd effeithlonrwydd isel y broses cynhyrchu trydan. Mae cynhyrchu hydrogen trwy electrolysis yn cael ei geisio ar gyfer opsiynau ynni adnewyddadwy (gwynt, solar, dŵr, geothermol) a niwclear. Mae'r llwybrau cynhyrchu hydrogen hyn yn arwain at bron sero o nwyon tŷ gwydr a meini prawf allyriadau llygryddion; fodd bynnag, mae angen gostwng y gost cynhyrchu yn sylweddol i fod yn gystadleuol gyda llwybrau carbon mwy aeddfed megis diwygio nwy naturiol.

Potensial ar gyfer synergedd â chynhyrchu ynni adnewyddadwy
Gall cynhyrchu hydrogen trwy electrolysis gynnig cyfleoedd ar gyfer synergedd â chynhyrchu pŵer deinamig ac ysbeidiol, sy'n nodweddiadol o rai technolegau ynni adnewyddadwy. Er enghraifft, er bod cost ynni gwynt wedi parhau i ostwng, mae amrywioldeb cynhenid ​​gwynt yn rhwystr i ddefnydd effeithiol o ynni gwynt. Gallai tanwydd hydrogen a chynhyrchu pŵer trydan gael eu hintegreiddio mewn fferm wynt, gan ganiatáu hyblygrwydd i symud cynhyrchiant i gyfateb yr adnoddau sydd ar gael orau ag anghenion gweithredol y system a ffactorau'r farchnad. Hefyd, ar adegau o gynhyrchu trydan gormodol o ffermydd gwynt, yn lle cwtogi ar y trydan fel sy'n cael ei wneud yn gyffredin, mae'n bosibl defnyddio'r trydan gormodol hwn i gynhyrchu hydrogen trwy electrolysis.

Mae'n bwysig nodi...
Nid trydan grid heddiw yw'r ffynhonnell drydan ddelfrydol ar gyfer electrolysis oherwydd mae'r rhan fwyaf o'r trydan yn cael ei gynhyrchu gan ddefnyddio technolegau sy'n arwain at allyriadau nwyon tŷ gwydr ac sy'n defnyddio llawer o ynni. Mae cynhyrchu trydan gan ddefnyddio technolegau ynni adnewyddadwy neu niwclear, naill ai ar wahân i'r grid, neu fel cyfran gynyddol o'r cymysgedd grid, yn opsiwn posibl i oresgyn y cyfyngiadau hyn ar gynhyrchu hydrogen trwy electrolysis.

Mewn proses electrolysis, mae dwy broses ïoneiddio wahanol yn digwydd ar yr un pryd. Mae dŵr ac electrolyt yn cystadlu yn yr achos hwn.

Mae electrolyte yn mynd trwy'r un broses ïoneiddio â dŵr. Byddai'r un ocsidiad a gostyngiad yn digwydd mewn electrolyte.
Oherwydd bod anion o'r electrolyt yn cystadlu â'r ïonau hydrocsid i roi'r gorau i electron, ac mae catïon yn cystadlu â'r ïon hydrogen i gael ei leihau trwy dderbyn yr electron, rhaid dewis electrolyt gyda gofal.

Rhaid i gasiwn yr electrolyt fod â photensial electrod is na H+. Cofiwch bob amser mewn unrhyw electrolysis y dylai potensial electrod catation yr electrolyte fod yn llai na photensial electrod cation y sylwedd sy'n cael ei electrolysio a dylai potensial electrod anion yr electrolyt fod yn fwy na photensial electrod yr anion o y sylwedd yn cael ei electrolyzed.

Mae cynhyrchu hydrogen gwyrdd gan ddefnyddio ffynonellau ynni adnewyddadwy wedi tanio digon o ddiddordeb mewn electrolysis dŵr i gynhyrchu hydrogen. Mae electrolysis dŵr gan ddefnyddio ffynonellau ynni adnewyddadwy heb unrhyw allyriadau CO2 yn cael ei ystyried yn ddull addawol o gynyddu cyfradd cynhyrchu hydrogen. Yn 2020, cynhyrchwyd tua 87 miliwn tunnell o hydrogen ledled y byd at wahanol ddefnyddiau, gan gynnwys puro olew, cynhyrchu amonia (NH3) (trwy broses Haber) a methanol (CH3OH) (trwy leihau carbon monocsid [CO]), ac fel tanwydd cludiant. Disgwylir i'r galw am hydrogen gyrraedd 500-680 miliwn MT erbyn 2050. Gwerthwyd y farchnad cynhyrchu hydrogen ar $130 biliwn rhwng 2020 a 2021 a disgwylir iddi dyfu ar gyfradd flynyddol o 9.2% erbyn 2030. Ond mae yna daliad: mae dros 95% o gynhyrchu hydrogen ar hyn o bryd yn seiliedig ar danwydd ffosil, gydag ychydig iawn yn "wyrdd." Heddiw, mae cynhyrchu hydrogen yn defnyddio 6% o nwy naturiol byd-eang a 2% o lo byd-eang. Serch hynny, mae technolegau cynhyrchu hydrogen gwyrdd yn dod yn fwy poblogaidd.

Mae electrolysis yn broses sy'n defnyddio trydan i hollti dŵr yn H2 ac O2. Llif electronau trwy lwybr dargludol, fel gwifren, yw beth yw trydan. Cylchdaith yw'r enw ar y llwybr hwn. Mae'r electronau'n symud oherwydd y gwahaniaeth potensial trydanol rhwng yr anod a'r catod. Mae gan yr anod fwy o electronau ac mae'n fwy ansefydlog oherwydd gorlenwi electronau. Mae'r electronau eisiau aildrefnu eu hunain er mwyn dileu'r gwahaniaeth. Mae electronau'n gwrthyrru ei gilydd ac yn ceisio symud i leoliad gyda llai o electronau. Cathod yw hwnnw.
Oherwydd nad yw dŵr pur yn dargludo trydan, mae hollti dŵr yn adwaith rhydocs araf.

Cemeg
Yn yr electrolyzer, mae un catod ac un anod yn gysylltiedig â ffynhonnell pŵer. Mae electronau bob amser yn llifo o anod i gatod ni waeth beth. Mae'r catod bob amser lle mae rhydwythiad yn digwydd felly mae angen i electronau fod yno. Ocsidiad yw colli electronau a rhydwythiad yw cynnydd electronau.
Yn gryno, ar y catod â gwefr negatif, mae adwaith rhydwytho'n digwydd, gydag electronau (e−) o'r catod yn cael eu rhoi i gatiau hydrogen i ffurfio nwy hydrogen
Cathod (gostyngiad):2 H2O(h) + 2d− -- > H2(g) + 2 OH−(d)
Yn yr anod â gwefr bositif, mae adwaith ocsideiddio yn digwydd, gan gynhyrchu nwy ocsigen a rhoi electronau i'r anod i gwblhau'r gylched
Anod (ocsidiad): 2 OH−(d) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Mae cyfuniad o'r adweithiau hyn yn cynhyrchu:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Cynhyrchir H2 yn y catod ac O2 yn yr anod.
Mae angen isafswm gwahaniaeth potensial o 1.23 folt ar gyfer electrolysis dŵr, ond ar y foltedd hwnnw mae angen gwres allanol o'r amgylchedd.

Mae staciau celloedd deubegwn electrolysis dŵr yn cynnwys llawer o gelloedd electrocemegol unigol mewn cyfresi trydanol. Yn ymarferol, gall staciau celloedd electrolysis dŵr sydd newydd gael eu stopio gadw gwefr drydanol sylweddol oherwydd bod hydrogen ac ocsigen yn weddill ym mhob cell. Wedi'i adael yn unig, gall gymryd llawer o oriau i'r tâl electrocemegol gweddilliol hwn afradloni. Rhaid i bersonél gwasanaeth a chynnal a chadw systemau fod yn hynod ofalus wrth geisio gwasanaethu neu amnewid y pentyrrau celloedd hyn yn fuan ar ôl eu gweithredu. Er enghraifft, gallai offeryn metel fel wrench bontio bwlch yn anfwriadol rhwng plât terfynell cerrynt positif pentwr cell a ffrâm gynhaliol fetel â daear, gan dynnu cerrynt mawr neu arc trydanol gyda difrod ac anaf o ganlyniad digroeso. Mae personél nad ydynt yn gwisgo offer amddiffynnol inswleiddio priodol mewn perygl hefyd.

Yr arfer gorau ar gyfer personél cynnal a chadw a gwasanaeth yw gwirio nad oes unrhyw dâl trydanol sylweddol yn aros yn y pentwr cell cyn tynnu gardiau diogelwch a chysylltiadau trydanol o'r simnai gell. Cynghorir personél i berfformio mesuriad foltedd stack cell i wirio bod y pentwr cell yn cael ei ollwng. Mewn rhai achosion, efallai y bydd personél y gwasanaeth hefyd yn defnyddio offeryn gwasanaeth sydd wedi'i ddylunio'n gywir sy'n cynnwys gwrthydd byrhau cerrynt uchel ar draws y simnai celloedd a ryddhawyd fel mesur diogelu ychwanegol.

Mae cynhyrchion yn cael eu gwerthu ym mhob rhanbarth o Tsieina a'u hallforio i wledydd ledled y byd. Maent wedi cael eu gwerthu mewn mwy nag 20 o wledydd a rhanbarthau gan gynnwys yr Unol Daleithiau, yr Almaen, Moroco, Kenya, Saudi Arabia, Fietnam, Algeria, India, Tanzania, a Taiwan. Wedi darparu mentrau adnabyddus yn llwyddiannus fel China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a mentrau adnabyddus eraill. Mae yna lawer o orsafoedd gwyrdd hydrogeniad hydrogen hydrogen megis Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, ac ati yn darparu prosiectau gwyrdd a gwneud hydrogen.