В последние годы были проведены исследования повысокоэффективные и недорогие электролизеры водыпривлекла всеобщее внимание, поскольку крупномасштабное производство и использование водорода имеют решающее значение для повышения устойчивости возобновляемых систем генерации и передачи электроэнергии. В настоящее время наиболее распространенным методом производства водорода является паровая конверсия метана или других углеводородов, но этот процесс генерирует значительные выбросы углекислого газа. Поэтому,электролизеры водыкоторые генерируют водород и кислород черезэлектрохимическое расщепление водыстали очагом исследований.
В условиях высокотемпературной эксплуатации (700–950°С)Твердооксидные паровые электролизеры (ТОЭ)были разработаны и проверены в лабораторных и пилотных масштабах (см. Рисунок 1). Высокая рабочая температураСОЭКпозволяет им работать при относительно низких напряжениях ячеек практически без кинетических ограничений, достигая почти 100%высокая теплотворная способность (ВХВ) эффективность электролизапри плотности тока около 1 А/см². Однако работа при высоких температурах также влечет за собой множество проблем, таких как длительное время запуска и выключения, быстрая деградация из-за высокотемпературной взаимодиффузии компонентов ячейки и отравление продуктами коррозии, что делаетСОЭКсталкиваются с трудностями при выходе на рынок.
Проблемы с щелочными иЭлектролизеры ПЭМ
Электролизеры воды с протонообменной мембраной (ПЭМВЭ) использоватьпротонообменные мембраны (ПОМ)и иономеры в электродах, что позволяет работать без циркулирующих жидких электролитов. В этой конфигурации и анод, и катод находятся в прямом контакте с непористымПЕМ, образуя компактное расположение ячеек (дизайн с нулевым зазором) (см. Рисунок 3). Такая конструкция позволяетПЕМВЕдля работы при плотности тока около 2 А/см².
Кроме того, непористая мембрана вПЕМВЕподдерживаетработа при перепаде давления, что позволяет производить водород под высоким давлением на катоде и кислород под атмосферным давлением на аноде. Это снижает необходимость во вторичном механическом сжатии для хранения водорода. Несмотря на эти преимущества, высокая стоимостьэлектрокатализаторы(например, оксид иридия и платина), а также коррозионно-стойкие токосъемники и биполярные пластины, используемые в кислотных средах, могут стать ограничивающими факторами для крупномасштабных систем. Это особенно актуально по мере увеличения размера стека, и эти компоненты вносят значительный вклад в общую стоимость системы. ОбаТРЕПЕТиПЕМВЕсчитаются зрелыми технологиями и были внедрены в коммерческую эксплуатацию в зависимости от конкретных потребностей приложений.
В условиях эксплуатации при низких температурах (ниже 100°C),Электролизеры щелочной воды (ЭЩВ)являются зрелой технологией.ТРЕПЕТиспользуйте водный раствор, содержащийгидроксид калия (КОН)как жидкий электролит и оснащеныпористые разделительные мембраны(см. Рисунок 2). Было проведено обширное исследование по разработкеЭлектрокатализаторы без металлов платиновой группы (МПГ)для реакций выделения водорода и кислорода (т.е.Реакция выделения водорода (ЕЕ)иРеакция выделения кислорода (РВК)). Текущее направление исследований сосредоточено на таких конструкциях, как конфигурации с нулевым зазором для увеличения плотности тока или рабочего давления. Однако,ТРЕПЕТимеют относительно низкую скорость производства водорода, обычно около 200 мА/см² при напряжении ячейки 1,8 В.
Принципы работы электролизера АЭМ
Электролизеры воды с анионообменной мембраной (ЭОВМ)работают в щелочной среде и могут использоватькатализаторы без металлов платиновой группы (МПГ).анионообменная мембрана (АЭМ)представляет собой непористый проводящий полимер на основе оксида водорода с фиксированными положительно заряженными функциональными группами на его основных или боковых цепях, что обеспечивает возможность конфигураций с нулевым зазором и работу при перепадах давления (см. рисунок 4).
Общая реакция вАЭМВЕвключает реакцию выделения водорода (ЕЕ) и реакцию выделения кислорода (ОЭР). Вода или щелочной жидкий электролит циркулирует через катод, где вода восстанавливается до водорода и гидроксид-ионов путем присоединения двух электронов (H₂O + 2e⁻ → H₂ + ОЙ⁻). Гидроксильные ионы диффундируют черезАЭМк аноду, в то время как электроны переносятся через внешнюю цепь к катоду. На аноде гидроксид-ионы рекомбинируют, образуя кислород и воду, генерируя два электрона (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Водород и кислород образуются в виде пузырьков на поверхностях катализаторов ЕЕ и ОЭР. ПодобноПЕМВЕ,непористая мембранаконфигурация с нулевым зазоромАЭМВЕобеспечивает высокоскоростное производство водорода и снижает необходимость механического сжатия для хранения водорода.
Примечательно, чтоАЭМВЕобъединить преимуществаТРЕПЕТ(катализаторы без МПГ) иПЕМВЕ(конфигурации с нулевым зазором и непористые мембраны). Интересно, что в отличие отПЕМВЕ, которые используют исключительно полимерные электролиты, многиеАЭМВЕтакже используют жидкие электролиты (например, растворы КОН или K₂КО₃).
Недавние исследования моделирования показывают, что добавление жидкого электролита не только снижаетомическое сопротивлениемембраны и слоя катализатора, но и улучшает кинетику реакции. При добавлении жидкого электролита в ячейку локальный рН на границе катализатор-электролит увеличивается, создавая дополнительный электрохимический интерфейс. ПромышленныйАЭМВЕскатализаторы на основе никеляв 1 М растворе КОН вырабатывают водород при напряжении 2 В и плотности тока 1,8 А/см², достигая производительности, сопоставимой с обычнымиПЕМВЕпри атмосферном давлении. Из-за низкой стоимостикатализаторыи аппаратное обеспечение, а также применимая конфигурация с нулевым зазором и работа при перепаде давления,АЭМВЕприобретают все больший интерес к производству водорода.
Проблемы долговечности электролизеров АЭМ
Основная техническая проблемаАЭМВЕ(анионообменные мембранные электролизеры воды) в коммерчески жизнеспособных системах является ихдолговечность. Прочность вАЭМВЕобычно относится к сроку службы устройства. На ранних стадияхДавай встанемразработка, измерение долговечности было относительно простым, поскольку срок службы ячейки был короче (менее 500 часов). Однако, как более долговечныеАЭМВЕразвиваются, измерение продолжительности их жизни становится более сложным.
Важно отметить, что работа ячейки более 10 000 часов занимает более года. Поэтому долговечностьАЭМВЕобычно оценивается путем измерения скорости изменения напряжения в долгосрочных испытаниях (100-1000 часов) или с помощью ускоренных стресс-тестов (АСТ) в условиях ускоренной деградации (таких как более высокие рабочие температуры и высокие плотности тока). Однако следует отметить, что долгосрочные испытания с использованием скорости изменения напряжения и испытаний на срок службы в условиях АСТ не могут точно предсказать долговечностьАЭМВЕ, поскольку срок службы ячейки зависит от множественных режимов деградации и часто ограничивается катастрофическим отказом. Таким образом, для получения ее истинного срока службы необходимо постоянно запускать ячейку в нормальных рабочих условиях.
Хотя срок службы стека коммерческихЭлектролизеры воды с протонообменной мембраной (ПЭМВЭ)составляет около 20 000–60 000 часов, что соответствует заявленному сроку службы большинстваАЭМВЕсоставляет около 3000 часов. Кроме того, большинствоАЭМВЕИспытания проводятся в условиях атмосферного давления.
