سه مسیر فنی برای تولید هیدروژن از آب الکترولیتی - الکترولیزهای قلیایی، PEM و اکسید جامد
در اصل، الکترولیز آب برای تولید هیدروژن یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن مولکول‌های آب به ترتیب در کاتد و آند به هیدروژن و اکسیژن تحت اثر جریان مستقیم تفکیک می‌شوند. بسته به اصل واکنش، سه گزینه اصلی وجود دارد: الکترولیز آب قلیایی (ALK )، الکترولیز آب خالص با غشاهای تبادل پروتون (PEM ) و الکترولیز آب اکسید جامد (SOEC ). الکترولیز آبی قلیایی (ALK ) و الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM ) برای تولید هیدروژن به صورت تجاری راه اندازی شده است، در حالی که الکترولیز اکسید جامد در مرحله توسعه آزمایشگاهی است.
الکترولیز قلیایی (ALK ): الکترولیز قلیایی از یک محلول آبی قلیایی مانند KOH به عنوان الکترولیت و یک پارچه غیر بافته (فلورین یا فلوئور کلر پلیمر) به عنوان دیافراگم برای الکترولیز آب برای تولید هیدروژن و اکسیژن تحت جریان مستقیم استفاده می کند. بازده گاز متناسب با جریان است و مصرف الکتریسیته در واحد بازده گاز به ولتاژ الکترولیز و دمای واکنش مربوط می شود. ولتاژ تجزیه تئوری آب 1.23 ولت و توان مصرفی نظری 2.95 کیلووات ساعت بر متر مکعب است، در حالی که مصرف برق واقعی الکترولیز آب قلیایی حدود 5.5 کیلووات ساعت بر متر مکعب است و راندمان تبدیل الکترولیز حدود 60٪ است.
ALK نزدیک به 100 سال است که به صورت تجاری در دسترس است و این فناوری نسبتاً بالغ است، با طول عمر 15-20 سال، و هزینه آن تنها یک پنجم الکترولیز PEM با همان اندازه است.
معایب: اندازه بزرگ، راندمان پایین و پاسخ دینامیکی کند. 1) اندازه یک الکترولیز قلیایی به دلیل سرعت واکنش آهسته و چگالی جریان پایین به دلیل استفاده از کاتالیزورهای غیر گرانبها، بسیار بزرگتر از الکترولیز PEM برای همان مقیاس تولید هیدروژن است. 2) محلول قلیایی بسیار فشرده است و بنابراین نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر دارد. 3) زمان راه اندازی سرد یک الکترولیز ALK به دلیل مصرف برق مورد نیاز برای گرم کردن الکترولیت 1-2 ساعت است. 4) دینامیک الکترولیز قلیایی کند است و امکان ردیابی خوب نوسان تولید انرژی تجدید پذیر را نمی دهد. علاوه بر این، برای اطمینان از خلوص تولید هیدروژن، الکترولیز قلیایی باید سطح توانی بیش از 20٪ از توان نامی خود را حفظ کند.
الکترولیزهای غشای تبادل پروتون (PEM ): الکترولیز PEM آب برای تولید هیدروژن و جریان کار پیل سوختی PEM فرآیندهای معکوس نسبت به یکدیگر هستند. اجزای اصلی یک سلول PEM معمولی شامل الکترودهای غشایی (غشاء تبادل پروتون، لایه کاتالیزوری، لایه انتشار)، صفحات دوقطبی، صفحات رزین اپوکسی و صفحات انتهایی است. لایه کاتالیزوری یک رابط سه فازی متشکل از یک کاتالیزور، یک محیط انتقال الکترون و یک محیط انتقال پروتون است که هسته واکنش الکتروشیمیایی است. برای جداسازی کاتد از تولید گاز، جلوگیری از انتقال الکترون ها و انتقال پروتون ها.
مزایا: راندمان بالا، بدون محلول قلیایی، اندازه کوچک، ایمنی و قابلیت اطمینان، پاسخ دینامیکی خوب، و غیره در مقایسه با ALK ، سیستم های الکترولیز آب PEM نیازی به قلیایی زدایی ندارند. در عین حال، سلول‌های الکترولیز PEM فشرده‌تر و پویاتر هستند و آنها را برای استفاده در سری با منابع انرژی تجدیدپذیر در نوسان ایده‌آل می‌سازد.
عیب: هزینه بالا به دلیل نیاز به استفاده از فلزات گرانبها. در حال حاضر فقط فلزات گرانبها مانند ایریدیوم و روتنیم می توانند به عنوان کاتالیزور استفاده شوند. کاهش هزینه مواد کاتالیزور و الکترولیز، به ویژه بارگذاری فلزات گرانبها الکتروکاتالیست های کاتد و آند، و بهبود کارایی و طول عمر الکترولیز، یک اولویت تحقیقاتی کلیدی برای توسعه الکترولیز آب PEM برای تولید هیدروژن است. .
الکترولیز اکسید جامد (SOEC ): در حدود 800 درجه سانتیگراد کار می کند، این یک فناوری الکترولیز آب بسیار امیدوارکننده در مقایسه با الکترولیز قلیایی و الکترولیز PEM است که در حدود 80 درجه سانتیگراد کار می کنند. هنوز در مرحله آزمایشگاهی توسعه است. ماده کاتد برای SOEC دمای بالا عموماً سرم متخلخل نی /YSZ (زیرکونیای دوپ شده با ایتریوم) و ماده آند عمدتاً اکسید کالکوژنید است، با احتمال LSCF (آهن کبالت لانتانیم استرانسیوم) در آینده. الکترولیت میانی یک هادی یون اکسیژن YSZ است. بخار آب مخلوط شده با مقدار کمی هیدروژن از کاتد وارد می شود (هدف از اختلاط هیدروژن اطمینان از یک اتمسفر کاهنده در کاتد و جلوگیری از اکسیداسیون مواد کاتد نی ) است، جایی که واکنش الکترولیز برای تشکیل H2 و O2-، که از طریق لایه الکترولیت به آند می گذرد و در آنجا الکترون ها را از دست می دهد و O2 تشکیل می دهد. SOEC نیز عملیات معکوس SOEF است.
(1) برخلاف الکترولیز آب قلیایی و الکترولیز آب PEM ، الکترولیز آب اکسید جامد با دمای بالا از اکسید جامد به عنوان ماده الکترولیت استفاده می کند و در دمای 800-1000 درجه سانتیگراد کار می کند. عملکرد الکتروشیمیایی فرآیند تولید هیدروژن به طور قابل توجهی بهبود یافته و راندمان استفاده از انرژی بالاتر است و به ≥90٪ می رسد. (2) الکترولیز می تواند از کاتالیزورهای فلزات غیر گرانبها استفاده کند و از تمام مواد سرامیکی ساخته شده است و مشکل خوردگی تجهیزات را کاهش می دهد. مشکل خوردگی تجهیزات کاهش می یابد.
معایب: دوام ضعیف. محیط دما و رطوبت بالا انتخاب مواد برای الکترولیز را محدود می کند که پایدار، طولانی مدت و مقاوم در برابر پوسیدگی هستند و انتخاب سناریوهای کاربردی برای فناوری تولید هیدروژن SOEC و استفاده گسترده از آن را محدود می کند.