ثلاث طرق تقنية لإنتاج الهيدروجين من الماء الإلكتروليتي - المحلل الكهربائي القلوي ، بيم والأكسيد الصلب
من حيث المبدأ ، التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين هو عملية كهروكيميائية يتم فيها فصل جزيئات الماء إلى الهيدروجين والأكسجين عند الكاثود والأنود ، على التوالي ، تحت تأثير تيار مباشر. اعتمادًا على مبدأ التفاعل ، هناك ثلاثة خيارات رئيسية: التحليل الكهربائي للمياه القلوية (ALK ) ، والتحليل الكهربائي للمياه النقية باستخدام أغشية تبادل البروتون (بيم ) والتحليل الكهربائي لماء أكسيد الصلب (SOEC ). تم إطلاق التحليل الكهربائي القلوي المائي (ALK ) وغشاء تبادل البروتون (بيم ) تجاريًا لإنتاج الهيدروجين ، بينما التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب في مرحلة تطوير المختبر.
التحليل الكهربائي القلوي (ALK ): يستخدم التحليل الكهربائي القلوي محلولًا مائيًا قلويًا مثل KOH مثل المنحل بالكهرباء وقطعة قماش غير منسوجة (فلور أو بوليمر كلور فلور) كحجاب حاجز لتحليل المياه بالكهرباء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين تحت التيار المباشر. يتناسب إنتاج الغاز مع التيار ويرتبط استهلاك الكهرباء لكل وحدة من إنتاج الغاز بجهد التحليل الكهربائي ودرجة حرارة التفاعل. جهد التحلل النظري للمياه هو 1.23 فولت والاستهلاك النظري للطاقة 2.95 كيلو واط / متر مكعب ، بينما يبلغ استهلاك الطاقة الفعلي للتحليل الكهربائي للمياه القلوية حوالي 5.5 كيلو واط / متر مكعب وكفاءة التحويل للمحلل الكهربائي حوالي 60٪.
كان ALK متاحًا تجاريًا منذ ما يقرب من 100 عام ، والتكنولوجيا ناضجة نسبيًا ، مع عمر يتراوح من 15 إلى 20 عامًا ، والتكلفة لا تزيد عن خمس تكلفة المحلل الكهربائي بيم من نفس الحجم.
العيوب: حجم كبير وكفاءة منخفضة واستجابة ديناميكية بطيئة. 1) حجم المحلل الكهربائي القلوي أكبر بكثير من المحلل الكهربائي بيم لنفس مقياس إنتاج الهيدروجين بسبب معدل التفاعل البطيء وكثافة التيار المنخفض بسبب استخدام محفزات المعادن غير الثمينة. 2) المحلول القلوي يتطلب صيانة مكثفة للغاية وبالتالي يتطلب صيانة متكررة. 3) وقت بدء التشغيل البارد للمحلل الكهربائي ALK هو 1-2 ساعة بسبب استهلاك الطاقة المطلوب لتسخين المنحل بالكهرباء. 4) ديناميات المحلل الكهربائي القلوي بطيئة ولا تسمح بالتتبع الجيد لتذبذب توليد الطاقة المتجددة. بالإضافة إلى ذلك ، لضمان نقاء إنتاج الهيدروجين ، يجب أن يحافظ المحلل الكهربائي القلوي على مستوى طاقة يزيد عن 20٪ من قوته المقدرة ،
المحلل الكهربائي لغشاء التبادل البروتوني (بيم ): التحليل الكهربائي للمياه من أجل إنتاج الهيدروجين وتدفق عمل خلايا الوقود بيم هما عمليتان عكسيتان لبعضهما البعض. تشتمل المكونات الرئيسية لخلية بيم النموذجية على أقطاب غشائية (غشاء تبادل البروتون ، وطبقة تحفيزية ، وطبقة انتشار) ، وألواح ثنائية القطب ، وألواح راتينج إيبوكسي وألواح نهاية. الطبقة الحفازة عبارة عن واجهة ثلاثية الطور تتكون من محفز ووسط نقل إلكترون ووسط نقل بروتون ، وهو جوهر التفاعل الكهروكيميائي ، ويستخدم غشاء التبادل البروتوني كإلكتروليت صلب ، وعادة ما يكون غشاء حمض البيرفلوروسولفونيك ، لعزل الكاثود عن توليد الغاز ، لمنع انتقال الإلكترونات ونقل البروتونات.
المزايا: الكفاءة العالية ، عدم وجود محلول قلوي ، الحجم الصغير ، الأمان والموثوقية ، الاستجابة الديناميكية الجيدة ، إلخ. استهلاك الطاقة المقابل لتقنية التحليل الكهربائي بيم هو حوالي 5.0 كيلو واط في الساعة / متر مكعب والكفاءة حوالي 70٪. بالمقارنة مع ALK ، لا تتطلب أنظمة التحليل الكهربائي للماء بيم إزالة القلوية. في الوقت نفسه ، تكون خلايا التحليل الكهربائي بيم أكثر إحكاما وديناميكية ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في سلسلة مع مصادر الطاقة المتجددة المتقلبة.
العيب: تكلفة عالية بسبب الحاجة لاستخدام المعادن الثمينة. يمكن حاليًا استخدام المعادن الثمينة فقط مثل الإيريديوم والروثينيوم كمحفزات. لتقليل تكلفة المواد للمحفز والمُحَلِّل الكهربائي ، وخاصة تحميل المعادن الثمينة للكاثود والأنود المحفزات الكهربائية ، ولتحسين كفاءة وعمر المحلل الكهربائي ، يعد أولوية بحثية رئيسية لتطوير التحليل الكهربائي للماء بيم لإنتاج الهيدروجين .
المحلل الكهربي للأكسيد الصلب (SOEC ): يعمل في حوالي 800 درجة مئوية ، وهي تقنية تحليل كهربائي للمياه واعدة للغاية مقارنة بالتحليل الكهربائي القلوي والتحليل الكهربائي بيم ، والتي تعمل عند حوالي 80 درجة مئوية. لا يزال في مرحلة التطوير المخبري. تكون مادة الكاثود المستخدمة في SOEC ذات درجة الحرارة المرتفعة بشكل عام ني / YSZ (زركونيا مخدر بالإيتريوم) سيرميت مسامي ، وتكون مادة الأنود أساسًا أكسيد كالكوجينيد ، مع إمكانية LSCF (لانثانوم سترونتيوم كوبالت حديد) في المستقبل. المحلول الكهربائي الوسيط هو موصل أيون الأكسجين YSZ . يدخل بخار الماء الممزوج بكمية صغيرة من الهيدروجين من الكاثود (الغرض من خلط الهيدروجين هو ضمان جو مختزل عند الكاثود ومنع أكسدة مادة الكاثود ني) ، حيث يحدث تفاعل التحليل الكهربائي لتكوين H2 و O2- ، الذي يمر عبر طبقة الإلكتروليت إلى القطب الموجب ، حيث يفقد الإلكترونات لتكوين O2. SOEC هي أيضًا العملية العكسية لـ SOEF .
(1) على عكس التحليل الكهربائي للمياه القلوية والتحليل الكهربائي للماء بيم ، يستخدم التحليل الكهربائي للماء بأكسيد صلب بدرجة حرارة عالية أكسيد صلب كمادة إلكتروليت ويعمل عند 800-1000 درجة مئوية. تم تحسين الأداء الكهروكيميائي لعملية إنتاج الهيدروجين بشكل كبير وكفاءة استخدام الطاقة أعلى ، حيث تصل إلى 90٪ ؛ (2) يمكن للمحلل الكهربائي استخدام محفزات معدنية غير ثمينة وهو مصنوع من جميع مواد السيراميك ، مما يقلل من مشكلة تآكل المعدات. يتم تقليل مشكلة تآكل المعدات.
العيوب: ضعف المتانة. تحد بيئة درجة الحرارة والرطوبة المرتفعة من اختيار المواد الخاصة بالمحلل الكهربائي والتي تكون مستقرة وطويلة الأمد ومقاومة للتآكل ، مما يحد من اختيار سيناريوهات التطبيق لتقنية إنتاج الهيدروجين SOEC واستخدامها على نطاق واسع.