Elektrolýza alkalické vody - Alkaline water electrolysis - Wikipedia

Elektrolýza alkalické vody
Typické materiály
Typ elektrolýzy:Elektrolýza alkalické vody
Styl membrány / membrányNiO
Materiál bipolární / separační deskyNerezová ocel
Katalyzátorový materiál na anoděNi / Co / Fe
Katalyzátorový materiál na katoděNi / C-Pt
Anodový materiál PTLTi / Ni / zirkonium
Katodový materiál PTLSíť z nerezové oceli
Nejmodernější operační rozsahy
Teplota buňky60-80 ° C[1]
Tlak v zásobníku<30 barů[1]
Hustota proudu0,2-0,4 A / cm2[1][2]
Napětí článku1,8-2,40 V[1][2]
Hustota výkonuna 1,0 W / cm2[1]
Rozsah částečného zatížení20-40%[1]
Specifická spotřeba energie4,2-5,9 kWh / Nm3[1]
Specifický systém spotřeby energie4,5-7,0 kWh / Nm3[1]
Účinnost napětí článku52-69%[1]
Rychlost produkce vodíku v systému<760 Nm3/ h[1]
Doživotní zásobník<90 000 h[1]
Přijatelná rychlost degradace<3 µV / h[1]
Životnost systému20-30 a[1]

Elektrolýza alkalické vody má v chemickém průmyslu dlouhou historii. Je to typ elektrolyzér který se vyznačuje tím, že má dva elektrody pracující v kapalném alkalickém roztoku elektrolytu o hydroxid draselný (KOH) nebo hydroxid sodný (NaOH). Tyto elektrody jsou odděleny membránou, oddělují se produktové plyny a transportují se hydroxidové ionty (OH−) z jedné elektrody na druhou.[1][3] Nedávné srovnání ukázalo, že nejmodernější vodní elektrolyzéry na bázi niklu s alkalickými elektrolyty vedou ke konkurenční nebo dokonce lepší účinnosti než kyselé polymerní elektrolytická membránová elektrolýza vody[Citace je zapotřebí ] s elektrokatalyzátory na bázi kovu na bázi platinové skupiny.[4]

Elektrolýza vyžaduje přítomnost minerálů v roztoku. Voda z kohoutku obsahuje studnu a podzemní voda obsahuje různé minerály, z nichž některé jsou zásadité a jiné kyselé. Voda nad pH 7,0 je považována za alkalickou; pod 7,0 je kyselá. Požadavek je, že ve vodě musí být ionty, které vedou elektřinu pro vodní elektrolýza proces nastane.[5][6]

Struktura a materiály

Elektrody jsou obvykle odděleny tenkou porézní fólií (o tloušťce mezi 0,050 až 0,5 mm), běžně označovanou jako membrána nebo separátor.[Citace je zapotřebí ] Membrána je nevodivá pro elektrony, čímž se zabrání elektrickým zkratům mezi elektrodami a zároveň se umožní malé vzdálenosti mezi elektrodami. Iontovou vodivost dodává vodný alkalický roztok, který proniká do pórů bránice. Nejmodernější membránou je Zirfon, kompozitní materiál zirkon a polysulfon.[7]Membrána dále zabraňuje smíchání produkovaného vodíku a kyslíku na katodě a anodě,[8][9] resp.

Typicky se jako elektrody pro elektrolýzu alkalické vody používají kovy na bázi niklu.[Citace je zapotřebí ] Pokud jde o čisté kovy, Ni je nejaktivnějším neušlechtilým kovem.[10] Vysoká cena elektrokatalyzátorů z ušlechtilého kovu, jako jsou kovy platinové skupiny, a jejich rozpouštění během vývoje kyslíku[11] je nevýhodou. Ni je považován za stabilnější během vývoje kyslíku.[12] Nerezová ocel však vykazovala při vysokých teplotách dobrou stabilitu a lepší katalytickou aktivitu než Ni Reakce na vývoj kyslíku (OER).[2]

Ni katalyzátory s velkou povrchovou plochou lze dosáhnout dealloying nikl-zinek[2] nebo slitiny niklu a hliníku v alkalickém roztoku, běžně označované jako Raney nikl. V buněčných testech doposud uváděné nejvýkonnější elektrody sestávaly z plazmově vakuově stříkaných slitin Ni na Ni sítích[13][14]a žárově pozinkovaná Ni oka.[15] Druhý přístup by mohl být zajímavý pro průmyslovou výrobu ve velkém měřítku, protože je levný a snadno škálovatelný.

Výhody ve srovnání s PEM elektrolýzou vody

Ve srovnání s polymerní elektrolytická elektrolýza vody, výhody elektrolýzy alkalické vody jsou hlavně:

  1. Levnější katalyzátory, pokud jde o katalyzátory na bázi skupiny platinových kovů používané pro elektrolýzu vody PEM.
  2. Vyšší životnost díky vyměnitelnému elektrolytu a nižšímu rozpuštění anodického katalyzátoru.
  3. Vyšší čistota plynu díky nižší difuzivitě plynu v alkalickém elektrolytu.

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i j k l m n Carmo, M; Fritz D; Mergel J; Stolten D (2013). "Komplexní přehled elektrolýzy vody PEM". Journal of Hydrogen Energy. 38 (12): 4901. doi:10.1016 / j.ijhydene.2013.01.151.
  2. ^ A b C d Colli, A.N .; et al. (2019). „Nevzácné elektrody pro praktickou alkalickou vodní elektrolýzu“. Materiály. 12 (8): 1336. Bibcode:2019Mate ... 12.1336C. doi:10,3390 / ma12081336. PMC  6515460. PMID  31022944.
  3. ^ „Elektrolýza alkalické vody“ (PDF). Nosiče energie a systémy přeměny. Citováno 19. října 2014.
  4. ^ Schalenbach, M; Tjarks G; Carmo M; Lueke W; Mueller M; Stolten D (2016). „Kyselé nebo zásadité? Směrem k novému pohledu na účinnost elektrolýzy vody“. Journal of the Electrochemical Society. 163 (11): F3197. doi:10.1149 / 2.0271611jes.
  5. ^ „USGS Water Science School“. Citováno 14. října 2014.
  6. ^ „Argonne National Laboratory Newton Ask a Scientist“. Citováno 14. října 2014.
  7. ^ „Specifikace produktu AGFA Zirfon Perl“. Archivovány od originál dne 2018-04-23. Citováno 29. ledna 2019.
  8. ^ Schalenbach, M; Lueke W; Stolten D (2016). „Difúze vodíku a propustnost elektrolytu separátoru Zirfon PERL pro elektrolýzu alkalické vody“ (PDF). Journal of the Electrochemical Society. 163 (14): F1480 – F1488. doi:10.1149 / 2.1251613jes.
  9. ^ Haug, P; Koj M; Turek T (2017). "Vliv podmínek procesu na čistotu plynu při elektrolýze alkalické vody". International Journal of Hydrogen Energy. 42 (15): 9406–9418. doi:10.1016 / j.ijhydene.2016.12.12.111.
  10. ^ Quaino, P; Juarez F; Santos E; Schmickler W (2014). „Sopkové pozemky ve vodíkové elektrokatalýze - použití a zneužívání“. Beilstein Journal of Nanotechnology. 42: 846–854. doi:10,3762 / bjnano. 5,96. PMC  4077405. PMID  24991521.
  11. ^ Schalenbach, M; et al. (2018). „Elektrochemické rozpouštění ušlechtilých kovů v alkalickém prostředí“. Elektrokatalýza. 9 (2): 153–161. doi:10.1007 / s12678-017-0438-r. S2CID  104106046.
  12. ^ Cherevko, S; et al. (2016). „Reakce vývoje kyslíku a vodíku na tenkovrstvých elektrodách Ru, RuO2, Ir a IrO2 v kyselých a alkalických elektrolytech: srovnávací studie aktivity a stability“. Katalýza dnes. 262: 170–180. doi:10.1016 / j.cattod.2015.08.014.
  13. ^ Schiller, G; Henne R; Borock V (1995). „Vakuové plazmové stříkání vysoce výkonných elektrod pro elektrolýzu alkalické vody“. Journal of Thermal Spray Technology. 4 (2): 185. Bibcode:1995JTST .... 4..185S. doi:10.1007 / BF02646111. S2CID  137144045.
  14. ^ Schiller, G; Henne R; Mohr P; Peinecke V (1998). „Vysoce výkonné elektrody pro pokročilý přerušovaně provozovaný 10 kW alkalický vodní elektrolyzér“. International Journal of Hydrogen Energy. 23 (9): 761–765. doi:10.1016 / S0360-3199 (97) 00122-5.
  15. ^ Schalenbach, M; et al. (2018). „Alkalický vodní elektrolyzér s niklovými elektrodami umožňuje efektivní provoz s vysokou hustotou proudu“. International Journal of Hydrogen Energy. 43 (27): 11932–11938. doi:10.1016 / j.ijhydene.2018.04.219.