Электролизер как сделать: Что такое электролизер, его принцип работы, конструкция и виды

Водородный генератор своими руками – схема, конструкция установки, чертежи

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и дешевых видов топлива, в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

• разобрать вопрос, как сделать водородный генератор с минимальными затратами;
• рассмотреть возможность применения генератора водорода для отопления частного дома, заправки авто и в качестве сварочного аппарата.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H₂O → 2H₂ + O₂ — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

• реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
• металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
• второй резервуар играет роль водяного затвора;
• трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

1. К двум электродам, погруженным в воду, подводится напряжение, желательно от регулируемого источника. Для улучшения реакции в емкость добавляется немного щелочи либо кислоты (в домашних условиях – обычной соли).
2. В результате реакции электролиза со стороны катода, подключенного к «минусовой» клемме, станет выделяться водород, а возле анода – кислород.
3. Смешиваясь, оба газа по трубке поступают в гидрозатвор, выполняющий 2 функции: отделение водяного пара и недопущение вспышки в реакторе.
4. Из второй емкости гремучий газ ННО подается на горелку, где сжигается с образованием воды.

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

1. Плоские деревянные палочки скрутите саморезами, располагая их концами в разные стороны. Спаяйте головки шурупов между собой и подсоедините провода – получите будущие электроды.
2. Проделайте отверстие в крышке, просуньте туда разрезанный корпус капельницы и провода, затем герметизируйте с 2 сторон клеевым пистолетом.
3. Поместите электроды в бутылку и завинтите крышку.
4. Во второй крышке просверлите 2 отверстия, вставьте трубки капельниц и накрутите на бутылку, заполненную обычной водой.

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

• цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
• трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
• провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

• резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
• концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
• шпильки стяжные М10—14;
• обратный клапан для газосварочного аппарата;
• фильтр водяной под гидрозатвор;
• трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
• гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема водородной установки мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7—15% раствор гидроокиси калия в воде.
2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

• использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
• бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
• применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

1. Конечная цена установки, низкая производительность и КПД делает крайне невыгодным сжигание водорода для отопления частного дома. Чем «наматывать» счетчик электролизером, проще поставить любой из электрокотлов – ТЭНовый, индукционный либо электродный.
2. Чтобы заменить 1 л бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, треть которого составляет кислород. Самый завравшийся изобретатель в интернете еще не сделал электролизер, способный обеспечить подобную производительность.
3. Газосварочный аппарат, сжигающий hydrogen, компактнее и легче баллонов с ацетиленом, пропаном и кислородом. Плюс температура пламени до 3000 °С позволяет работать с любыми металлами, стоимость получения горючего здесь особой роли не играет.

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Делаем водородный генератор для отопления дома своими руками. Жми!

Водородный генератор (электролизер) это прибор, работающий за свет двух процессов: физического и химического.

В процессе работы под воздействием электротока вода разлагается на кислород и водород. Данный процесс носит название электролиз. Электролизер довольно популярен среди самых известных видов водородных генераторов.

Как устроен прибор

Электролизер состоит из нескольких пластин из металла, погруженных в герметическую емкость с дистиллированной водой.

Сам корпус имеет клеммы, чтобы подключать источник питания и есть втулка, через которую выводится газ.

Работу прибора можно описать так: электроток пропускается через дистиллированную воду между пластинами с разными полями (у одной — анод, у другой — катод), расщепляет её на кислород и водород.

В зависимости от площади пластин электроток имеет свою силу, если площадь большая, то и тока по воде проходит много и больше выделяется газа. Схема подключения пластин поочередная, сначала плюс, потом минус и так далее.

Электроды рекомендуется делать из нержавеющей стали, которая в процессе электролиза не вступает в реакцию с водой. Главное найти нержавейку высокого качества. Между электродами лучше сделать расстояние маленькими, но так, чтобы пузыри газа легко между ними передвигались. Крепеж лучше изготовить из соответствующего металла, что и электроды.

[warning]Примите во внимание: в связи с тем, что технология изготовления связана с газом, то во избежание образования искры, необходимо произвести плотное прилегание всех деталей.[/warning]

В рассматриваемом варианте устройство включает в себя 16 пластин, расположены они друг от друга в пределах 1 мм.

За счет того, что пластины имеют достаточно немалую площадь поверхности и толщину, можно будет пропустить через такое устройство высокие токи, однако нагрева металла не произойдет. Если измерить на воздухе емкость электродов, то она составит 1nF, данный набор использует до 25А в простой воде из водопровода.

Для сбора водородного генератора своими руками можно применить контейнер пищевой, так как его пластик термоустойчив. Затем нужно в контейнер опустить электроды для сбора газа с разъемами изолированными герметично, крышкой и другими соединениями.

Если использовать контейнер из металла, то во избежание короткого замыкания, электроды крепятся на пластике. С двух сторон медных и латунных фитингов устанавливаются два разъема (фитинг – монтировать, собирать) для извлечения газа. Разъемы контактные и фитинги нужно прочно закрепить, применяя герметик из силикона.

Изготовить газогенератор также можно в домашних условиях. Методика подробно изложена здесь: https://teplo.guru/pechi/piroliznye/gazogenerator-svoimi-rukami.html

Соблюдение мер безопасности

Электролизер представляет собой устройство повышенной опасности.

Поэтому во время его изготовления, монтирования и работы обязательно нужно соблюдение как общих, так и специальных мер безопасности.

Специальные меры включают следующие пункты:

• следует контролировать концентрацию смеси водорода с кислородом, в целях недопущения взрыва;
• если уровень жидкости не просматривается в смотровом окне водородного генератора, то его использовать нельзя;
• во время выполнения ремонта нужно удостовериться, что в конечной точке системы полностью отсутствует водород;
• противопоказано использование открытого огня, электрических нагревательных приборов и переносных ламп напряжением более 12 вольт рядом с электролизером;
• во время работы с электролитом следует себя обезопасить, используя средства защиты (спецодежда, перчатки и очки).

Советы специалистов

Квалифицированные мастера считают, что изготавливать самодельные водородные генераторы для автомобилей в домашних условиях рискованное занятие.

Они объясняют это тем, что электролизер для авто имеет сложную и небезопасную систему устройств.

Заниматься изготовлением таких агрегатов нужно, применяя специальные материалы и реагенты.

[advice]Примите к сведению: в случае самостоятельного установления электролизера, который был изготовлен своими руками, рекомендуется строгое исключение возможности, когда газ попадает в камеру сгорания при заглушенном двигателе. Во время отключения двигателя, обязательно должен автоматически отключиться водородный генератор от сети электрического питания автомобиля.[/advice]

Если все-таки решили самостоятельно изготовить автомобильный гидролизер, то обязательно следует оснастить его барботером – это специальный водяной клапан. При его использовании значительно повысится безопасность при вождении автомобиля.

Электрический ток можно получить из земли и воздуха самостоятельно. Подробности в этой статье: https://teplo.guru/elektrichestvo/besplatnoe-elektrichestvo.html

Отопление дома газом Брауна

Схема работы водородного генератора. (Для увеличения нажмите)

Водород является самым распространенным химическим элементом, поэтому экономически выгодно его использовать.

Для многих владельцев домов и дач часто встает вопрос, как получить «чистую» и дешевую энергию для нужд в быту. Ответ можно найти в таких инновациях, как водогенератор для отопления жилища.

Ученые, благодаря своим разработкам, позволили многим использовать такое устройство для получения газа. Установка способна генерировать водород (газ Брауна) и этот газ будет использован для получения энергии.

Можно это соединение представить химической формулой, как hho. Данный газ можно получить из воды с помощью метода электролиза. Есть много примеров в жизни, когда люди хотят свой дом отапливать оксиводородом. Но чтобы этот вид топлива получил популярность, надо сначала научиться получать его (газ Брауна) в бытовых условиях.

Пока еще нет технологии водородного отопления частного дома, которая была бы достаточно надежной.

Нюансы организации отопления дома газом Брауна рассмотрены здесь: https://teplo.guru/sistemy/otoplenie-gazom-brauna.html

Смотрите видео, в котором опытный пользователь разъясняет, как сделать водородный генератор своими руками:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Проблема зеленого водорода, о которой никто не говорит

Гигаватт за гигаваттом зеленой водородной мощности планируется построить в Европе, Азии и Австралии. По мнению сторонников этой технологии, зеленый водород — тот, который вырабатывается электролизом на солнечных батареях, ветре и других возобновляемых источниках энергии, — является лучшим способом обезуглероживания тяжелых загрязнителей окружающей среды. Сейчас много говорят о снижении стоимости солнечной и ветровой энергии и о том, как они очень скоро сделают зеленый водород жизнеспособным. Кажется, никто не хочет говорить о воде. Электролиз — это процесс расщепления воды на составляющие элементы — водород и кислород — с помощью электрического тока. Этот процесс осуществляется в установке, называемой электролизером. Когда сторонники водорода говорят о блестящем будущем технологии, они сосредотачиваются на затратах, связанных с электричеством, необходимым для электролиза. Но для электролиза, кроме электричества, нужна вода.

Тонны воды — буквально.

Для производства одной тонны водорода путем электролиза требуется в среднем девять тонн воды. Но чтобы получить эти девять тонн воды, недостаточно просто перенаправить течение ближайшей реки. Вода, которую электролизер расщепляет на составные элементы, требует очистки.

В свою очередь, процесс очистки воды довольно расточителен. Системам очистки воды обычно требуется около двух тонн загрязненной воды для производства одной тонны очищенной воды. Другими словами, на одну тонну водорода на самом деле нужно не девять, а 18 тонн воды. С учетом потерь соотношение приближается к 20 тоннам воды на 1 тонну водорода.

Говоря об очистке воды, химики-органики объясняют, что самый простой способ сделать это — дистиллировать. Этот метод дешев, потому что для него требуется только электричество, но он не быстрый. Что касается стоимости электроэнергии, то для дистилляции литра воды требуется 2,58 мегаджоулей энергии, что в среднем составляет 0,717 кВтч.

На первый взгляд это не так уж и много, но давайте посмотрим, как все выглядит в большем масштабе. Германия — страна с самыми амбициозными планами в отношении зеленого водорода. Стоимость электроэнергии для небытовых потребителей в Германии в прошлом году составляла в среднем 0,19 доллара (0,16 евро) за кВтч. Таким образом, при уровне потребления энергии 0,717 кВтч перегонка литра воды будет стоить 0,14 доллара (0,1147 евро). За тонну воды это будет 135,14 доллара (114,72 евро).

Однако для производства одной тонны водорода для электролиза требуется 18 тонн воды, не считая потерь во время процесса. Это означает, что стоимость очистки воды для производства тонны водорода составит 2432 доллара (2065 евро). Это основано на предположении, что вода будет очищаться самым дешевым из доступных методов. Существуют и другие, гораздо более быстрые, но более дорогие методы с использованием ионообменных смол или молекулярного сита. Другие альтернативы дистилляции, по мнению химиков, на данном этапе ненадежны.

Таким образом, обеспечение правильного типа воды для гидролиза стоит денег, и хотя 2400 долларов за тонну водорода могут показаться не такими уж большими, стоимость очистки воды — не единственные связанные с водой расходы в технологии, которая направлена ​​на получение водорода из возобновляемых источников. Вода, подаваемая в электролизер, не только чистая, но и транспортируется к нему.

Транспортировка тонны за тонной воды к месту установки электролизера означает большие затраты на логистику. Чтобы их сократить, имеет смысл выбрать место, где много воды, например, у реки или моря, или, в качестве альтернативы, рядом с водоочистными сооружениями. Это ограничивает выбор мест, подходящих для крупных электролизеров. Но поскольку электролизер, чтобы быть экологически чистым, должен получать энергию от возобновляемых источников энергии, он также должен располагаться поблизости от солнечной или ветряной электростанции. Их, как мы знаем, невозможно построить где-либо; солнечные фермы наиболее рентабельны в местах с большим количеством солнечного света, а ветряные электростанции лучше всего работают в местах с сильным ветром.

Излишне говорить, что эти места, как правило, не расположены близко к водным путям, за исключением морского ветра, который кажется идеальным для производства зеленого водорода. К сожалению, морской ветер также является наиболее затратной формой из трех возобновляемых источников — солнечной энергии, берегового ветра и морского ветра — обычно упоминаемых в контексте производства зеленого водорода. По данным Rystad Energy, капитальные затраты на оффшорную ферму в два раза выше, чем у ее наземного аналога, и в четыре раза выше, чем затраты на сопоставимую солнечную установку.

Не все затраты, связанные с производством водорода из возобновляемых источников энергии, являются затратами на эти возобновляемые источники энергии. Вода — это товар, в котором нуждается этот процесс, и немного странно, что никто, кажется, не хочет обсуждать стоимость воды.

Возможно, стоимость водоснабжения, хранения и очистки незначительна по сравнению с другими затратами, которые необходимо решить в первую очередь. Тем не менее, это фактические затраты, которые следует добавить к общей сумме при оценке того, насколько далеко продвинулась технология производства водорода из возобновляемой электроэнергии и насколько она стала жизнеспособной.

На данный момент эксперты, похоже, единодушны в том, что это нежизнеспособно — не без значительной государственной поддержки.

О нас | Enapter

Enapter разрабатывает и производит высокоэффективные генераторы водорода. Ключевая технология электролиза основана на уникальной и запатентованной анионообменной мембране (AEM). Наша цель состоит в том, чтобы создать эффективные технологии, способные заменить ископаемые виды топлива экологически чистым водородом, сделав его доступным. 

  

Все началось с компании ACTA Spa, которая была основана в 2004 году и специализировалась на исследованиях и разработке топливных элементов и электролизе AEM. Спустя более 10 лет успешной работы, они представили первый электролизер в 2012 году. Некоторые из этих прототипов отправились в Таиланд, где Себастьян-Юстус Шмидт разработал проект микросети для всемирно известного дома Phi Suea House. Phi Suea House стал первым в мире жилым комплексом, который полностью обеспечивается энергией от солнечных батарей и сохраняет избыточную в виде водорода. Эта всемирная демонстрация водородного накопителя в жилых домах привлекла широкое внимание общественности, и в 2017 году Себастьян основал Enapter, поглотив ACTA Spa и  получив проверенную ключевую технологию, патенты и команду по электрохимии. С момента образования компания достигла высоких результатов в развитии команды, продукта и индустрии.  Enapter стал одним из передовых производителей электролизеров, производящих «зеленый» водород.  

  

Сегодня AEM электролизер — это стандартизированная, масштабируемая и гибкая система, которая позволяет производить водород «на месте». Благодаря инновационному программному обеспечению для управления энергосистемой, электролизер легко интегрировать с другими устройствами, а также управлять удаленно. Электролизер AEM можно смело назвать усовершенствованием технологии PEM. 

Имея тот же принцип, в электролизере AEM используется полупроницаемая мембрана, но для прохождения анионов. Результатом являются гибкость, быстрое время отклика, большая плотность тока и максимально чистый водород. Так как работа не ведется в сильно коррозийной среде, нет потребности в дорогостоящих катализаторах на основе благородных металлов (иридий или платина) или большом количестве титана. Такие уникальные преимущества позволяют позиционировать электролизер на рынке, как доступное бытовое устройство . Наша технология позволяет частным лицам и предприятиям использовать экологически чистый водород повсеместно. Мы планируем массово производить AEM электролизер, снижая стоимость “зеленого” водорода и делая его доступным; аналогично темпам снижения затрат, которые мы наблюдали в полупроводниковой промышленности и солнечной энергетике.  

  

Офисы компании расположены в Европе и Азии, позволяя компании динамично развивать бизнес по всему миру. Электролизеры Enapter уже функционируют более чем в 33 странах, что коренным образом меняет способы использования энергии в транспортном, жилом и промышленном секторах. Мы получили признание за вклад в развитие отрасли, завоевав множество наград и получив «Знак отличия Комиссии ЕС». 

Получение хлора и щелочи методом электролиза

При получении хлора и каустика методом электролиза раствора хлорида натрия производятся гидроксид натрия, хлор и водород. Электролиз проходит на современных мембранных ячейках.    

Сырье и продукция

Сырьем для получения хлора и каустика методом электролиза служит соль (NaCl). Её получают из морской воды (рассол), месторождений минерального сырья (каменная соль) или методом  выпаривания (вакуумная соль).

Первичные продукты электролиза по мембранной технологии – это гидроксид натрия (каустик 32%), газообразные водород и хлор. Первичные продукты могут быть превращены в пригодные для хранения товарные продукты:

• соляная кислота (HCl 32 % — 36 %)
• натровый щелок 50 %
• жидкий хлор.

Поскольку большие объемы этих продуктов используются в качестве базовых химикатов для самых различных химических конечных продуктов, установки по производству хлора и щелочи эксплуатируются в непосредственном комплексе в следующих отраслях промышленности:

• химическая промышленность
• целлюлозно-бумажная промышленность, для снабжения её отбеливателями
• промышленность с большим потреблением хлора, например, нефтехимия и производство пластмасс (ВХМ, ПВХ, трихлорметан, эпихлоргидрин и т.д.)
• промышленность с большим потреблением натрового щелока (например, металлургическая, фармацевтическая)

Технология и электролизеры

Могут быть предложены электролизеры ведущих мировых производителей, что дает возможность учитывать специфические требования наших заказчиков.

Технология

Комплектная установка для получения хлора и каустика состоит из следующих
технологических узлов:

1. Растворение соли (каменная или выварочная соль)
2. Первичная очистка рассола
3. Тонкая очистка рассола
4. Мембранный электролиз с трансформаторно-выпрямительным блоком
5. Обработка католита и водорода
6. Обработка анолита и хлора
7. Сушка, компримирование, сжижение и хранение хлора
8. Упаривание щелочи, с чешуированием, расфасовкой и отгрузкой
9. Система абсорбции хлора, аварийная абсорбция или получение гипохлорита
10. Синтез соляной кислоты (HCl)

Преимущества

• Малое энергопотребление
• Окружающая среда не загрязняется амальгамой или асбестом
• Высокая чистота продукта
• Простота в работе и управлении
• Низкие капитальные и эксплуатационные затраты

Здесь вы сможете ознакомиться с нашими актуальными референтными установками.

Водородный генератор своими руками для отопления дома, схема

Использование водорода в качестве энергоносителя для обогрева дома – идея весьма заманчивая, ведь его теплотворная способность (33.2 кВт / м3) превышает более чем в 3 раза показатель природного газа (9.3 кВт / м3). Теоретически, чтобы извлечь горючий газ из воды с последующим сжиганием его в котле, можно использовать водородный генератор для отопления. О том, что из этого может получиться и как сделать такое устройство своими руками, будет рассказано в данной статье.

Принцип работы генератора

Как энергоноситель водород действительно не имеет себе равных, а запасы его практически неисчерпаемы. Как мы уже сказали, при сжигании он выделяет огромное количество тепловой энергии, несравнимо большее, нежели любое углеводородное топливо. Вместо вредных соединений, выбрасываемых в атмосферу при использовании природного газа, при горении водорода образуется обычная вода в виде пара. Одна беда: данный химический элемент не встречается в природе в свободном виде, только в соединении с другими веществами.

Одно из таких соединений – обычная вода, представляющая собой полностью окисленный водород. Над ее расщеплением на составные элементы работали многие ученые в течение долгих лет. Нельзя сказать, что безрезультатно, ведь техническое решение по разделению воды все же было найдено. Его суть – в химической реакции электролиза, в результате которой происходит расщепление воды на кислород и водород, полученную смесь назвали гремучим газом или газом Брауна. Ниже показана схема водородного генератора (электролизера), работающего на электричестве:

Электролизеры производятся серийно и предназначены для газопламенных (сварочных) работ. Ток определенной силы и частоты подается на группы металлических пластин, погруженных в воду. В результате протекающей реакции электролиза выделяются кислород и водород вперемешку с водяным паром. Для его отделения газы пропускаются через сепаратор, после чего подаются на горелку. Дабы избежать обратного удара и взрыва, на подаче устанавливается клапан, пропускающий горючее только в одну сторону.

Для контроля за уровнем воды и своевременной подпитки конструкцией предусмотрен специальный датчик, по сигналу которого производится ее впрыск в рабочее пространство электролизера. За превышением давления внутри сосуда следит аварийный выключатель и сбросной клапан. Обслуживание водородного генератора заключается в периодическом добавлении воды, и на этом все.

Водородное отопление: миф или реальность?

Генератор для сварочных работ – это на данный момент единственное практическое применение электролитическому расщеплению воды. Использовать его для отопления дома нецелесообразно и вот почему. Затраты энергоносителей при газопламенных работах не так важны, главное, что сварщику не нужно таскать тяжеленные баллоны и возиться со шлангами. Другое дело – отопление жилища, где каждая копейка на счету. И тут водород проигрывает всем существующим ныне видам топлива.

Важно. Затраты электроэнергии на выделение горючего из воды методом электролиза будут гораздо выше, нежели гремучий газ сможет выделить при сжигании.

Серийные сварочные генераторы стоят немалых денег, поскольку в них используются катализаторы процесса электролиза, в состав которых входит платина. Можно сделать водородный генератор своими руками, но его эффективность будет еще ниже, чем у заводского. Получить горючий газ вам точно удастся, но вряд ли его хватит на обогрев хотя бы одной большой комнаты, не то что целого дома. А если и хватит, то придется оплачивать баснословные счета за электричество.

Чем тратить время и усилия на получение бесплатного топлива, которого не существует априори, проще смастерить своими руками простой электродный котел. Можете быть уверены, что так вы израсходуете гораздо меньше энергии с большей пользой. Впрочем, домашние мастера – энтузиасты всегда могут попробовать свои силы и собрать дома электролизер, с целью провести эксперименты и убедиться во всем самолично. Один из подобных экспериментов показан на видео:

Как изготовить генератор

Масса интернет-ресурсов публикуют самые разные схемы и чертежи генератора для получения водорода, но все они действуют по одному принципу. Мы предложим вашему вниманию чертеж простого устройства, взятый из научно-популярной литературы:

Здесь электролизер представляет собой группу металлических пластин, стянутых между собой болтами. Между ними установлены изоляционные прокладки, крайние толстые обкладки тоже изготовлены из диэлектрика. От штуцера, вмонтированного в одну из обкладок, идет трубка для подачи газа в сосуд с водой, а из него – во второй. Задача емкостей – отделять паровую составляющую и накапливать смесь водорода с кислородом, чтобы подавать его под давлением.

Совет. Электролитические пластины для генератора надо делать из нержавеющей стали, легированной титаном. Он послужит дополнительным катализатором реакции расщепления.

Пластины, что служат электродами, могут быть произвольного размера. Но надо понимать, что производительность аппарата зависит от их площади поверхности. Чем большее число электродов удастся задействовать в процессе, тем лучше. Но при этом и потребляемый ток будет выше, это следует учитывать. К концам пластин припаиваются провода, ведущие к источнику электричества. Здесь тоже есть поле для экспериментов: можно подавать на электролизер разное напряжение с помощью регулируемого блока питания.

В качестве электролизера можно применить пластиковый контейнер от водяного фильтра, поместив в него электроды из нержавеющих трубок. Изделие удобно тем, что его легко герметизировать от окружающей среды, выводя трубку и провода через отверстия в крышке. Другое дело, что этот самодельный водородный генератор обладает невысокой производительностью из-за малой площади электродов.

Заключение

На данный момент не существует надежной и эффективной технологии, позволяющей реализовать водородное отопление частного дома. Те генераторы, что имеются в продаже, могут успешно применяться для обработки металлов, но не для производства горючего для котла. Попытки организовать подобный обогрев приведут к перерасходу электроэнергии, не считая затрат на оборудование.

Математическое моделирование МГД-стабильности алюминиевого электролизера

Author:

Савенкова, Н.П.

Мокин, А.Ю.

Удовиченко, Н.С.

Пьяных, А.А.

Savenkova, Nadejda P.

Mokin, Andrei Yu.

Udovichenko, Nellya S.

Pianykh, Artem A.

Journal Name:

Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2020, 13(2)

Abstract:

В работе описана математическая модель магнитной гидродинамики и теплообмена в алюминиевом электролизере. В модели учитывают три фазы: газ, электролит и металл, исследуют их взаимодействие. Проведено математическое моделирование динамики границы раздела сред алюминий-электролит в зависимости от распределения потенциала по аноду для электролизера Содерберга и многоанодного электролизера. Проведенное численное исследование позволило сделать вывод о том, что электролизер Содерберга менее МГД- стабилен, чем многоанодный электролизер с обожженными анодами. Выполнены расчеты МГД-стабильности при изменении формы рабочего пространства ванны для различных форм настыли и гарнисажа. Была рассчитана граница раздела сред электролит- металл и граница зоны обратного окисления, которая определяется пространственным распределением газовой фазы. Расчеты позволяют достаточно точно прогнозировать развитие МГД-нестабильности в ванне при различных условиях проведения технологического процесса, что минимизирует потери выхода металла по току

 

The paper describes a mathematical model of magnetic hydrodynamics and heat transfer in an aluminum electrolyzer. The model takes into account three phases: gas, electrolyte and metal, and investigates their interaction. Mathematical modeling of the dynamics of the aluminumelectrolyte interface is carried out depending on the potential distribution over the anode for the Soderberg electrolyzer and the multi-anode electrolyzer. A numerical study made it possible to conclude that the Soderberg electrolyzer is less MHD-stable than a multi-anode electrolyzer with burnt anodes. Calculations of MHD stability are carried out when changing the shape of the working space of the bath for various forms of accretion and skull. The interface between the electrolyte-metal media and the boundary of the reverse oxidation zone, which is determined by the spatial distribution of the gas phase, were calculated. The calculations make it possible to accurately predict the development of MHD instability in the bath under various conditions of the process, which minimizes the loss of metal current efficiency

 

Электролизеры 101: что это такое, как они работают и где они подходят в зеленой экономике

По мере того как Cummins смотрит в будущее, мы видим сдвиг на рынке энергии. С этим изменением появляются новые возможности и возможности, выходящие за рамки нашего традиционного набора продуктов. Чтобы лучше обслуживать наших клиентов и нашу планету, Cummins внедряет инновации в новые, устойчивые формы энергии и привносит широкий спектр новых возможностей в портфель продуктов New Power, обеспечивая способ производства чистого водорода для питания водородных топливных элементов, обеспечения промышленных процессов или производить экологически чистые химические вещества, такие как удобрения, возобновляемый природный газ и метанол.

Cummins предлагает различные водородные технологии, включая системы электролизеров, и недавно объявила о поставке своего 5-мегаваттного электролизера PEM для преобразования излишков гидроэнергии в чистый водород для муниципального коммунального округа округа Дуглас в штате Вашингтон (США). Но что такое электролизер, как он работает и какое место он занимает в нашей «зеленой» экономике?

Что такое электролизер и как он работает?

Электролизер — это система, которая использует электричество для разложения воды на водород и кислород в процессе, называемом электролизом.В результате электролиза в системе электролизера образуется газообразный водород. Оставшийся кислород выбрасывается в атмосферу или может улавливаться или храниться для снабжения других промышленных процессов или в некоторых случаях даже медицинских газов.

Газообразный водород может храниться в сжатом или сжиженном виде, и, поскольку водород является энергоносителем, его можно использовать для питания любых электрических систем на водородных топливных элементах — будь то поезда, автобусы, грузовики или центры обработки данных.

В своей основной форме электролизер содержит катод (отрицательный заряд), анод (положительный заряд) и мембрану.Вся система также содержит насосы, вентиляционные отверстия, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие компоненты. Электролиз воды — это электрохимическая реакция, протекающая в пакетах ячеек. Электричество подается на анод и катод через протонообменную мембрану (PEM) и заставляет воду (h30) расщепляться на составляющие ее молекулы, водород (h3) и кислород (O2).

Существуют ли электролизеры разных типов?

Да, они различаются по размеру и функциям.Эти электролизеры можно масштабировать для соответствия различным диапазонам ввода и вывода, начиная от небольших промышленных предприятий, установленных в транспортных контейнерах, до крупных централизованных производственных объектов, которые могут доставлять водород на грузовиках или подключаться к трубопроводам.

Существует три основных типа электролизеров: протонообменные мембраны (PEM), щелочные и твердооксидные. Эти разные электролизеры работают по-разному в зависимости от материала электролита.И щелочные электролизеры, и электролизеры на основе ПЭМ могут доставлять водород на месте и по запросу, водород под давлением без компрессора и чистый, сухой и безуглеродный водород чистотой 99,999%.

Разница между тремя основными видами электролизеров включает:

Электролизеры щелочные

• Использует жидкий раствор электролита, такой как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NAOH), и воду.
• Водород производится в «ячейке», состоящей из анода, катода и мембраны.Ячейки обычно собираются последовательно в «стопку ячеек», которая производит больше водорода и кислорода по мере увеличения количества ячеек.
• Когда ток подается на батарею элементов, ионы гидроксида (ОН-) перемещаются через электролит от катода к аноду каждой ячейки, при этом пузырьки газообразного водорода образуются на катодной стороне электролизера, а газообразный кислород — на аноде, как представлено здесь.

Электролизеры с протонообменной мембраной (PEM)

• В электролизерах PEM используется протонообменная мембрана, в которой используется твердый полимерный электролит.
• Когда ток подается на батарею элементов, вода расщепляется на водород и кислород, и протоны водорода проходят через мембрану с образованием газа h3 на катодной стороне.

Твердооксидные электролизеры (SOEC)

• Использует твердый керамический материал в качестве электролита
• Электроны из внешнего контура объединяются с водой на катоде с образованием газообразного водорода и отрицательно заряжают ионы.Затем кислород проходит через скользящую керамическую мембрану и реагирует на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи
SOEC
• работают при гораздо более высоких температурах (выше 500 ° C), чем щелочные электролизеры и электролизеры с ПЭМ (до 80 ° С), и потенциально могут стать намного более эффективными, чем электролизеры с ПЭМ и щелочными электролизерами.

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Есть четыре основных способа коммерциализации электролизеров:

1. От энергии к мобильности : водород можно использовать в качестве топлива на заправочных станциях для электромобилей на топливных элементах, таких как автобусы, поезда и автомобили.
2. Power to Fuel : Используется на нефтеперерабатывающих заводах для удаления серы из ископаемого топлива.
3. Энергия для промышленности : Используется непосредственно в качестве промышленного газа в сталелитейной промышленности, на заводах по производству листового стекла, полупроводниковой промышленности и т. Д. Его также можно впрыскивать непосредственно в сети природного газа для низкоуглеродного нагрева и других применений природного газа. .
4. Power to Gas : Используется при производстве экологически чистых химикатов, таких как метанол, удобрения (аммиак) и любое другое жидкое топливо, даже топливо для реактивных двигателей!

Что такого уникального в водородных топливных элементах?

Водород, полученный из электролизера, идеально подходит для использования с водородными топливными элементами.Работая во многом как батарея, топливные элементы не разряжаются и не нуждаются в подзарядке и вырабатывают электричество и тепло, пока есть топливо. Вы можете узнать больше о батареях и топливных элементах здесь. Топливные элементы используют водород для производства электроэнергии с нулевыми выбросами в точке использования. Это означает, что из выхлопной трубы не поступает ископаемое топливо или вредные выбросы.

Еще лучше, когда система электролизера питается от возобновляемого источника энергии, такого как гидроэлектростанция из плотин реки Колумбия, производимый водород считается возобновляемым и не содержит CO2 от скважины к колесу.Узнайте больше о выбросах в атмосферу в полностью электрических системах и на топливных элементах.

Почему водород — такой хороший вариант для чистой энергии?

Водород открывает возможность для массовых рыночных изменений в энергетической отрасли. Энергетические системы по всему миру претерпевают фундаментальные преобразования, чтобы сосредоточиться на снижении выбросов и меньшем негативном воздействии на окружающую среду.

Чтобы уменьшить негативное воздействие изменения климата и обезуглерожить сектор энергетики, технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветер и солнечная энергия, стали ключевыми составляющими решения.Но интеграция этих прерывистых источников энергии в энергосистему может оказаться сложной задачей.

Водород может выступать в качестве накопителя энергии для решения этих сетевых проблем, позволяя более легко использовать возобновляемую энергию вне электросети. Водород — это стабильный способ хранения и эффективной транспортировки возобновляемой электроэнергии в течение длительных периодов времени. Таким образом, возобновляемая электроэнергия, генерируемая ветром и солнечной энергией, которая не используется сразу, может быть использована в другое время или в другом месте.Потенциал водорода для хранения и транспортировки энергии делает его ключевым фактором глобального перехода к возобновляемым источникам энергии.

Что делает Cummins с электролизерами?

Компания Cummins смело вступила в водородную экономику в сентябре 2019 года, купив Hydrogenics, мирового производителя водородных топливных элементов и электролизеров. Cummins продолжает быстро прогрессировать в разработке новых продуктов и приложений в водородной сфере, и в настоящее время Cummins предлагает два разных типа электролизеров:

1. Электролизер с полимерно-электролитной мембраной HyLYZER® (PEM) использует твердый полимер с ионной проводимостью и лучше подходит для крупномасштабного производства водорода.
2. Щелочной электролизер HySTAT® использует жидкий электролит и хорошо подходит для производства водорода в малых и средних масштабах.

Cummins гордится тем, что возглавляет новую водородную технологию. Имея столетний опыт работы с множеством источников питания и трансмиссий, мы работаем с нашими клиентами, чтобы предоставить правильное решение для нужного клиента в нужное время. Будь то аккумуляторная батарея, дизельное топливо, природный газ или топливные элементы, ваша энергия — ваш выбор.

Введение в электролизеры

Электролизеры используют электричество для разложения воды на водород и кислород. Электролиз воды происходит посредством электрохимической реакции, для которой не требуются внешние компоненты или движущиеся части. Он очень надежен и может производить сверхчистый водород (> 99,999%) без вреда для окружающей среды, когда источником электроэнергии является возобновляемая энергия.

Водород, полученный в электролизере, идеально подходит для использования с водородными топливными элементами .Реакции, происходящие в электролизере, очень похожи на реакции в топливных элементах, за исключением того, что реакции, происходящие на аноде и катоде, меняются местами. В топливном элементе газообразный водород потребляется на аноде, а в электролизере газообразный водород образуется на катоде. Недостатком электролизеров является потребность в электроэнергии для завершения реакции. В идеале электрическая энергия, необходимая для реакции электролиза, должна поступать из возобновляемых источников энергии, таких как ветер , солнечный или гидроэлектрические источники.Электролизеры полезны и идеальны при включении в определенные стационарные, переносные и транспортные системы электропитания. Некоторыми примерами применений, в которых электролизеры были бы особенно полезны, являются долгосрочное использование в полевых условиях, автомобили с приводом от топливных элементов и портативная электроника. Достаточное количество водорода может быть произведено до его использования и, следовательно, может быть полезным дополнением к системе, использующей солнечную и ветровую энергию.

Некоторые из преимуществ использования электролизеров:

1. Полученный водород очень чистый.
2. Его можно производить прямо на месте и в то время, когда оно будет использоваться, и не обязательно хранить.
3. Это намного более дешевый метод, чем подача газа в баллонах высокого давления.

Во всем мире более чем достаточно солнечных и ветряных природных ресурсов для производства всего водорода, необходимого для стационарных, транспортных и переносных применений. Электролиз может удовлетворить требования к стоимости, установленные правительствами многих стран мира.

Типы конструкций электролизеров

Есть много способов построить и настроить электролизер, и различные электролиты , можно использовать так же, как в топливных элементах. Однако одно отличие от топливных элементов состоит в том, что нельзя использовать высокотемпературные системы, потому что вода должна подаваться в виде пара. Электролизеры можно разделить на две основные конструкции: униполярные и биполярные. В униполярной конструкции обычно используется жидкий электролит (щелочные жидкости), а в биполярной конструкции используется твердый полимерный электролит (протонообменные мембраны , ).Гидроксид калия был широко используемым электролитом в прошлом, но в последнее время более типичными являются мембраны PEM. Конструкция электролизера очень похожа на аккумулятор или топливный элемент; он состоит из анода, катода и электролита.

Щелочной электролизер

Щелочные электролизеры обычно используют водный раствор гидроксида калия (КОН) в качестве электролита. Другие часто используемые электролиты включают серную кислоту (h3SO4), гидроксид калия (KOH), хлорид натрия (NaCl) и гидроксид натрия (NaOH).Типичная концентрация электролизного раствора составляет 20-30 мас.% Для обеспечения баланса между ионной проводимостью и коррозионной стойкостью.

Щелочные электролизеры хорошо работают при рабочих температурах от 25 до 100 ° C и давлении от 1 до 30 бар соответственно. Промышленные щелочные электролизеры имеют плотность тока в диапазоне 100-400 мА / см ² . Химические реакции для щелочного электролизера:

• Анод: 4H ₂ O + 4e ^— 2H ₂ + 4OH
• Катод: 4OH ^— + O ₂ + 4e ^— + 2 H ₂ O
• В целом: 2 H ₂ O → 2H ₂ + O ₂

Общая конструкция щелочного электролизера проста.Он имеет униполярную конструкцию, состоящую из двух металлических электродов, подвешенных в водном растворе электролита. Когда на электроды подается электричество, на каждом электроде генерируется газообразный водород и кислород. Электролизер должен быть спроектирован таким образом, чтобы каждый газ собирался и удалялся из электролизера эффективно. Инженер должен следить за тем, чтобы газы не смешивались, потому что при наличии искры смесь водорода и кислорода легко воспламеняется.

Электролизер на основе PEM

Электролизеры на основе полимерных электролитных мембран (PEM) очень популярны, и многие современные электролизеры построены с использованием технологии PEM.Электролизер PEM использует тот же тип электролита, что и топливный элемент PEM . Электролит представляет собой тонкую твердую ионопроводящую мембрану, которая используется вместо водного раствора. Эти электролизеры имеют биполярную конструкцию и могут работать при высоких дифференциальных давлениях на мембране. Реакции следующие:

• Анод: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂
• Катод: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^—
• Общий: 2H ₂ O (л) + 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^—

Электролизеры PEM популярны, потому что многие из типичных проблем топливных элементов PEM не применимы.Воду, подаваемую на катод, также можно легко использовать для охлаждения элемента, а управление водой намного проще, поскольку положительный электрод должен быть залит водой. Водород, производимый в электролизерах этого типа, имеет высокую чистоту. Единственная проблема — наличие водяного пара в системе. Вода диффундирует через электролит, как в топливных элементах; поэтому разработчики электролитов используют различные методы, чтобы избежать этого. Распространенным методом является использование более толстых электролитов, чем те, которые используются в топливных элементах.

КПД электролизера

На работу электролизеров влияет множество факторов. Некоторые из них включают общую конструкцию, используемые материалы, а также рабочую температуру и давление. Работа при более высоких температурах увеличит эффективность, но также увеличит скорость коррозии материалов электролизера. КПД электролизера рассчитывается так же, как и топливного элемента. Эффективность топливного элемента определяется формулой:

А обратная этой формуле — КПД электролизера:

.

Потери в электролизерах такие же, как в топливных элементах, а типичные значения для Vcell и Vel_cell равны 1.6 — 2,0 В в зависимости от плотности тока. Эффективность батареи также должна включать потери мощности из-за электроэнергии, необходимой для насосов, клапанов, датчиков и контроллера, а также количество энергии, вложенной в батарею. Типичный КПД коммерческих электролизеров составляет от 60 до 70 процентов.

Возможности электролиза

Интеграция электролизеров с системой возобновляемых источников энергии создает уникальные возможности для обеспечения электроэнергией в будущем.Системы возобновляемой энергии могут подключаться к коммунальной сети через силовую электронику. Силовая электроника преобразует переменный ток (AC) из сети в постоянный ток (DC), необходимый для пакета электролизных ячеек. В качестве источника электроэнергии можно использовать как фотоэлектрические, так и ветроэнергетические системы. Во многих ветряных / электролизерных системах, используемых сегодня для производства водорода, электролизер напрямую использует переменный ток от ветряной турбины.

Во всем мире проводится множество научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов, в которых анализируется и сравнивается производство водорода солнечной и ветровой энергией и электросетью.В этих исследованиях водород производится путем электролиза, а затем сжимается и хранится для питания двигателя в периоды с более высокими требованиями к энергии. Эти проекты будут исследовать совместное производство электричества и водорода, чтобы решить проблему неустойчивого характера солнечной и ветровой энергии, чтобы производить электричество, когда потребность в энергии высока. Эти исследования также включают потенциальное использование водорода в транспортных средствах. В этих исследовательских проектах изучаются технологии нескольких электролизеров; их способность быстро подключаться и отключаться; и разработка преобразователей переменного тока в постоянный и постоянного тока для использования ветряной турбины от солнечной энергии в электролизере для достижения повышения эффективности.

Электролиз может помочь сократить периодическое производство электроэнергии из возобновляемых источников. Водородные системы может производить водород и хранить его для дальнейшего использования, что может улучшить коэффициент использования возобновляемых источников энергии. Это поможет сделать возобновляемую энергию постоянной или использоваться в периоды пиковой нагрузки. Допуская совместное производство водорода и электроэнергии, коммунальное предприятие может оптимизировать свою систему производства и хранения. И солнечная, и ветровая системы могут получить выгоду от производства электроэнергии вместе с водородом.Некоторые исследования показали, что системы, оптимизированные для производства водорода и электроэнергии, имеют более низкие цены на водород — даже когда электроэнергия продается по очень низкой цене.

Выводы

Электролиз использует электричество для разложения воды на водород и кислород. Этот процесс может производить сверхчистый водород (> 99,999%) без загрязнения окружающей среды, если источником электроэнергии является возобновляемая энергия. Водород также можно производить непосредственно в любом месте и в то время, когда это необходимо; следовательно, его необязательно хранить.Это идеальный метод производства водорода для водородных топливных элементов. Если эта система спроектирована правильно, она может быть намного дешевле, чем газ, поставляемый в баллонах высокого давления. Электролизеры были бы очень полезны, если бы они были интегрированы в стационарные, переносные или транспортные энергосистемы для производства водорода. Это также было бы полезным дополнением к системе, использующей солнечную и ветровую энергию, потому что водород можно использовать для питания топливных элементов, когда солнечная и ветровая энергия прерывистая.В будущем электролиз можно будет использовать вместе с водородом, который необходим из ветряных и солнечных источников.

Автор Д-р Коллин Шпигель

Доктор Коллин Шпигель — консультант по математическому моделированию и техническому письму (президент SEMSCIO) и профессор, имеющий докторскую степень. и степень магистра инженерных наук. Она имеет семнадцатилетний опыт работы в инженерии, статистике, науке о данных, исследованиях и написании технических статей для многих компаний в качестве консультанта, сотрудника и независимого владельца бизнеса.Она является автором книг « Designing and Building Fuel Cells » (McGraw-Hill, 2007) и «PEM Fuel Cell Modeling and Simulation using MATLAB» (Elsevier Science, 2008). Ранее она владела Clean Fuel Cell Energy, LLC, организацией по топливным элементам, которая обслуживала ученых, инженеров и профессоров по всему миру.

Производство водорода: электролиз | Министерство энергетики

Как это работает?

Подобно топливным элементам, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом.Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа материала электролита.

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом

В электролизере с полимерной электролитной мембраной (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через PEM к катоду.
• На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂

Щелочные электролизеры Щелочные электролизеры

посредством переноса гидроксид-ионов (OH ^— ) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на катодной стороне.Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, коммерчески доступны в течение многих лет. Новые подходы, использующие твердые щелочнообменные мембраны в качестве электролита, перспективны в лабораторных условиях.

Твердооксидные электролизеры

Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, который селективно проводит отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах, генерируют водород немного по-другому.

• Вода на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800 ° C, по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70–90 ° C, и промышленными щелочными электролизерами, которые работать при 100–150 ° C).Электролизеры на твердом оксиде могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Водород, произведенный посредством электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от источника используемой электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая ее стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке выгод и экономической целесообразности производства водорода посредством электролиза.Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выделяемых парниковых газов и количества топлива, необходимого из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода посредством электролиза используется для возобновляемых (ветряных) и ядерных источников энергии. Эти пути приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ.

Потенциал для синергизма с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может открыть возможности для синергизма с производством переменного тока, что характерно для некоторых технологий использования возобновляемых источников энергии.Например, несмотря на то, что стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко менять производство, чтобы наилучшим образом согласовать доступность ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во время избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать потребление электроэнергии, как это обычно делается, можно использовать это избыточное электричество для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить …

• Сегодняшняя электросеть не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Производство электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо как растущая часть сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода посредством электролиза.
• Министерство энергетики США и другие продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии из возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе угля с улавливанием, использованием и хранением углерода. Например, производство электроэнергии на основе ветра быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования направлены на преодоление проблем

• Снижение капитальных затрат на электролизер и баланс системы, а также повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород.
• Интеграция сжатия в электролизер, чтобы избежать затрат на отдельный водородный компрессор, необходимый для увеличения давления для хранения водорода.

Снижение стоимости водорода и распространение его производства — pv magazine USA

Шмидт стремится достичь того, что многие до него пытались и не смогли сделать. Он хочет создать систему, производящую водород для собственного потребления и для использования в качестве сезонного хранилища. Целевые затраты являются многообещающими при условии наличия дешевой экологически чистой электроэнергии для питания электролизеров.

Шмидт не единственный, кто совершил эту революцию. В стартовых блоках находятся несколько малых и крупных компаний. Центральное или распределенное энергоснабжение — это проблема не только в производстве электроэнергии. Также ведутся оживленные дискуссии о том, какой подход более перспективен для производства зеленого водорода.

Потенциал экономии

Производство водорода в принципе простое. Электролиз применяется примерно с 1800 года. Метод, известный как щелочной электролиз, используется в коммерческих целях с середины 20 века.В нем используется ячейка с катодом, анодом и электролитом на основе раствора едких солей. При подаче напряжения вода разлагается в щелочном растворе. На катоде образуется водород, а на аноде — кислород. Между двумя электродами находится мембрана, которая пропускает только отрицательно заряженные ионы кислорода и водорода (ОН-), разделяя, таким образом, газы. Во время реакции выделяется тепло, которое, если использовать его, увеличивает ее эффективность. Затем полученный водород необходимо очистить, высушить и, при необходимости, сжать.

Электролит является жидким, это означает, что щелочной электролизер требует большего количества периферийного оборудования, такого как насосы для электролита, промывки и приготовления раствора. Хотя в настоящее время это самый дешевый из всех процессов электролиза, он требует относительно высоких затрат на техническое обслуживание.

Гораздо более современный метод электролиза, в котором используется протонообменная мембрана (PEM), отличается. Это полностью изменяет принцип топливного элемента и не требует жидкого электролита. Вода продавливается через пакет из двух электродов и полимерную мембрану.Он позволяет проходить только положительно заряженным протонам водорода. Платина обычно используется в качестве катализатора в ячейке. Тонкие ячейки, состоящие из мембраны и пары электродов, могут быть собраны в стопки для достижения лучшей производительности. По сравнению со щелочным электролизом, электролиз PEM имеет то преимущество, что он быстро реагирует на колебания, типичные для возобновляемой энергетики. Эта технология часто используется в распределенных системах, поскольку оборудование не требует обслуживания и подает высококачественный газ.

Более новый вариант — электролиз с анионообменной мембраной (АЭМ), используемый Enapter. Подобно щелочному электролизу, этот метод позволяет отрицательно заряженным ионам (ОН-) проходить через мембрану. AEM позволяет избежать использования дорогостоящих драгоценных металлов, необходимых в качестве катализаторов при электролизе PEM. Этот процесс также эффективен в меньшем масштабе, что делает его подходящим для децентрализованных приложений.

Высокотемпературный электролиз использует несколько иную концепцию. Керамические мембраны, которые проводят ионы при очень высоких температурах, разделяют перегретый пар с температурой от 600 до 800 градусов Цельсия на кислород и водород.Поскольку большая часть энергии, необходимой для этого процесса, уже вырабатывается за счет тепла, потребность в электроэнергии ниже. Когда используется промышленное отходящее тепло, которое стоит мало или ничего не стоит, этот метод может быть очень эффективным. Эффективность, измеренная с точки зрения потребляемой электроэнергии, выше, чем у других методов.

Ценовая стратегия

Однако в конечном итоге эффективность важна лишь косвенно; самое главное — это стоимость. Общая стоимость включает стоимость электролизера, включая техническое обслуживание и замену изношенных мембран, стоимость электроэнергии, используемой для процесса, и любые последующие затраты на сушку, очистку и сжатие газа, а также транспортировку.

Исследование, проведенное в 2018 году Fraunhofer ISE и IPA, оценило инвестиционные затраты на электролизер PEM, производящий один стандартный кубический метр водорода за один час, примерно в 7600 долларов. Тем временем, однако, цены упали до 4900-6000 долларов, говорит Том Смолинка, руководитель отдела химического хранения энергии Fraunhofer ISE и один из авторов исследования. Щелочные электролизеры, которые на момент исследования стоили 3300 и 6000 долларов, теперь, как говорят, значительно дешевле в Китае.На момент проведения исследования практически не существовало готовых к продаже приложений для высокотемпературного электролиза.

Смолинка оценивает, что производство мембранно-электродного блока — сердца электролизной ячейки PEM — составляет от 60% до 70% от общей стоимости, в то время как затраты на чистые материалы, включая дорогие драгоценные металлы, составляют только 30%. до 40%. Кроме того, он добавляет, что силовая электроника, используемая в больших электролизерах, в настоящее время еще не является массовым продуктом, а скорее является единичным продуктом для конкретных клиентов.Соответственно, цены, вероятно, резко упадут, когда объемы продаж увеличатся. По словам Смолинки, до сих пор большинство электролизеров производилось в рамках рабочих процессов с небольшой автоматизацией или даже полностью вручную. «Высокоавтоматизированное производство, особенно для компонентов элементов, которое уже существует для топливных элементов с PEM, технически не будет проблемой». Однако он добавляет, что текущий низкий уровень рыночного спроса не позволяет производителям делать необходимые инвестиции.

Инвестиционные затраты

Ряд участников рынка работают над снижением инвестиционных затрат.Примером этого является совместное предприятие ITM Power и Linde, которое планирует открыть в этом году полуавтоматический завод в Шеффилде, Великобритания, для производства 1 ГВт мощности электролиза в год, в первую очередь для многомегаваттных проектов, таких как один в Кельне. Другие известные компании также заявили о крупных проектах и ​​расширяют производство. Например, NEL в настоящее время готовится к реализации проекта мощностью 20 МВт в Дании, а Hydrogenics готовится к запуску небольшого проекта в Канаде.Наряду с размером проекта улучшается и производительность стека. В настоящее время обычно доступны стеллажи с входной электрической мощностью 400 кВт. Вскоре некоторые игроки захотят увеличить эту мощность до 1 МВт. Масштабирование размера должно снизить затраты.

Enapter использует другой подход. Итальянско-немецкая компания твердо привержена созданию небольшого стандартизированного продукта, который можно производить в еще больших количествах, а затем при необходимости устанавливать бок о бок. Основатель и генеральный директор Шмидт проводит параллели с компьютерным миром, чтобы проиллюстрировать правдоподобность этой концепции.Распределенные персональные компьютеры в значительной степени заменили мэйнфреймы, потому что большие объемы производства сделали их дешевле в производстве, чем небольшое количество мэйнфреймов. Аналогичным образом ожидается, что продукт Enapter снизит затраты по сравнению с большими центральными электролизерами, которые не производятся в промышленных масштабах.

Это обсуждение вопроса о том, достигается ли цель быстрее за счет масштабирования до более крупных единиц в меньших количествах или путем масштабирования до большего количества более мелких единиц, распространено во многих отраслях.Скептики говорят, что последний подход не так перспективен для электролизеров по физическим причинам. В отличие от компьютеров, производительность электролизеров не увеличилась бы во много раз, если бы они были уменьшены в размерах. С другой стороны, с помощью электролиза AEM возможное устранение драгоценных металлов может сделать распределенную генерацию жизнеспособной для массового рынка.

При текущей цене 9800 долларов устройство подает полкубометра водорода в час или один килограмм водорода каждые 24 часа.При целевом сроке службы 30 000 часов, агрегат в настоящее время достигает цены 7,30 доллара за кг, что соответствует 0,19 доллара за киловатт-час (теплотворная способность). Эти цифры, однако, не включают цену 54 кВт / ч электроэнергии, необходимой для производства 1 кг водорода с помощью электролиза AEM. Если мы предположим, например, что входящая электроэнергия стоит 0,055 доллара за киловатт-час, это добавит еще 3 доллара за килограмм, или 0,075 доллара за киловатт-час водорода, к производственным затратам.

Как только автоматизированное производство на заводе в Пизе запустится, как и планировалось через четыре года, электролизер станет настолько дешевым, что цена составит 1 доллар.По словам Шмидта, будет получено 64 на килограмм без учета затрат на электроэнергию. На этом этапе разработчики надеются, что будет целесообразно использовать устройство не только для распределенной генерации, но и для сборки более крупных агрегатов, как в компьютерном примере. Установка 416 блоков позволит достичь мощности 1 МВт.

Источник неопределенности

Срок службы устройств включен во все сметы затрат, которые, как и в случае любой новой технологии, нелегко доказать. Например, невозможно проверить, действительно ли электролизер AEM прослужит 30 000 часов, а электролизер PEM — от 60 000 до 80 000 часов, как заявляют производители.Однако Шмидт из Enapter и исследователи Тома Смолинки согласны с тем, что клетки AEM и PEM практически не стареют с течением времени. Кроме того, мало имеет значения, работает ли электролизер при полной нагрузке или только при половинной мощности.

В конечном счете, сама мембрана — не единственный фактор, определяющий срок службы. «Наибольшее влияние на срок службы оказывает качество воды», — говорит Смолинка. Загрязнения накапливаются в мелких порах мембраны, которые блокируют их или, в случае солей, образуют мостики.

Еще одним фактором, склеивающим электролизеры, является температура. Чрезмерные нагрузки приводят к более высоким температурам во всей системе, а электроды с неравномерным покрытием могут создавать горячие точки.

Areva h3Gen решит эту проблему в течение следующих трех лет. В исследовательском проекте Industriepark Höchst компания использует электролизер PEM мощностью 1 МВт. В дополнение к производству водорода он также будет обеспечивать первичную регулирующую мощность в будущем, а это означает, что иногда он будет работать с удвоенной мощностью, а в других случаях — только на части своей мощности 250 кВт.Если концепция окажется осуществимой, она не только откроет дополнительный доход операторам электролизных заводов, но также может помочь стабилизировать электросеть.

Согласно расчетам затрат, произведенным менеджером проекта Лукасом Буземейером, целевые затраты Enapter могут быть достигнуты уже сегодня с помощью централизованного подразделения Areva h3Gen. При непрерывной эксплуатации установки — 8000 рабочих часов в год в течение 20 лет — цена на водород в размере 3,90 долл. США / кг достижима при цене на электроэнергию 0 долл. США.055 / кВтч. Эта оценка предполагает, что стек PEM будет заменен один раз через 10 лет.

Значительное сокращение

Поскольку затраты на электроэнергию являются решающим фактором в общих затратах на генерацию, нельзя разделить технологию и ее использование. Любой, кто покупает зеленую электроэнергию из сети, будь то через PPA или в качестве сертифицированной зеленой электроэнергии, должен учитывать плату за подключение, сборы и надбавки к цене на электроэнергию, какими бы ни были правовые нормы. Однако электролизер можно подключать напрямую к существующей газовой или водородной сети, как в случае с Shell и Areva h3Gen в Хёхсте.

Операторы, которые производят водород с помощью небольших солнечных систем, могут использовать тепло и, таким образом, повысить экономическую эффективность, а также могут использовать топливо непосредственно для отопления или для заправки транспортных средств без необходимости его транспортировки. Такие производители также экономят часть сборов и надбавок на цене электроэнергии и снижают нагрузку на сеть.

В принципе, однако, инвесторы, которые планируют использовать только солнечную энергию для работы электролизера, должны будут согласиться с более длительным периодом окупаемости, поскольку энергия доступна только в течение небольшого количества часов полной нагрузки.

Значительное снижение потребления электроэнергии при электролизе может быть достигнуто с помощью высокотемпературных устройств, которые имеют наивысший электрический КПД от 80% до 90%. Одним из пионеров этой технологии является Sunfire из Дрездена. Вместо 55 кВтч, как при электролизе PEM, для производства 1 килограмма водорода требуется всего 41,4 кВтч электроэнергии. Однако для этого электролизер необходимо нагреть. Поэтому рекомендуется устанавливать их там, где образуются промышленные отходы тепла, например, на сталелитейных заводах.Если производство стали не требует выбросов CO2, идеально подойдет соединение секторов, потому что произведенный водород может потребляться немедленно. «С кислородной мембраной, которую использует Sunfire, можно не только расщепить воду для получения водорода, но и отделить любую молекулу, содержащую кислород, например углеводороды или даже углекислый газ», — говорит Нильс Альдаг, главный операционный директор Sunfire. Полученный газ можно легко переработать в синтетическую сырую нефть, которую намного легче транспортировать, чем объемный водород.

Вопрос о централизованном или распределенном электролизе, вероятно, в конечном итоге будет не вопросом «или-или», а «обоими / и».Задача огромная. Один только нефтеперерабатывающий завод Shell Rheinland в Кельне, который, по данным компании, является крупнейшим нефтеперерабатывающим заводом в Германии, требует 180 000 метрических тонн водорода в год. Он по-прежнему производится в основном путем паровой конверсии природного газа, который производит большое количество вредного для климата CO2. С середины 2019 года компания строит электролизный завод мощностью 10 МВт на заводе в Весселинге. По заявлению Shell, там будет установлен крупнейший в мире завод, использующий технологию протонообменных мембран.И все же для того, чтобы только эта компания перешла на экологически чистый водород, потребуется около 140 таких заводов.

Сколько водорода (или кислорода) будет производить мой электролизер?

Электролизер имеет множество конструктивных соображений, которые определяют, при каком давлении он может работать, его эффективность, безопасность и т. Д. Сегодня я позволю вам позаботиться обо всей механической конструкции и немного поговорить о принципах, лежащих в основе электролизера. и что это значит для вас (дизайнера).Все нижеприведенное относится в первую очередь к электролизу воды из ПЭМ, но многое из этого может применяться и к другим типам электролизеров. Если вы хотите пропустить объяснение, вы можете сразу перейти к удобной электронной таблице.

Текущий

Как вы знаете, электролизеры преобразуют воду и энергию (электричество) в водород и кислород. Для меня интересным было то, что количество h3 или O2, производимое электролизером, определяется исключительно током.

Это имеет смысл, если посмотреть на физику электролизной ячейки. Поскольку ток определяется как поток электронов (или протонов), а молекула водорода состоит всего из 2 протонов и 2 электронов, из этого следует, что когда вы помещаете определенное количество электронов через мембрану (ток), она генерирует эквивалентное количество электронов. Молекулы водорода.

Точное количество составляет 0,007 литра в минуту @ STP (также известный как стандартный литр в минуту или SLPM) h3 для каждого усилителя, проходящего через каждую ячейку (0.007 SLPM / A / ячейка)

На практике это дает вам две переменные, с которыми можно поиграть: Current и Number of Cells. Например. Если вам нужно 7 SLPM h3, вы можете спроектировать электролизер с одной ячейкой и прокачать через него 1000 А (0,007 SLPM / A / ячейка * 1000A * 1 ячейка), или вы можете спроектировать электролизер с 10 ячейками, и вам нужно будет пропустить через него только 100 А. (0,007 * 100А * 10 ячеек). Это позволяет получить приблизительную оценку того, сколько ячеек вам может понадобиться, исходя из текущего доступного количества ячеек.

Кроме того, поскольку производство водорода и кислорода полностью зависит от силы тока, это иногда может быть удобным способом управления производительностью без фактического измерения добычи газа или использования других параметров, которые могут изменяться со временем.

Напряжение

Напряжение, которое требуется для обеспечения этого тока, определяет общую эффективность и, следовательно, количество энергии (P = V * I), необходимое для выработки водорода и кислорода.

Напряжение, при котором будет работать каждая ячейка, является экспериментально определенным значением, которое может варьироваться в зависимости от свойств MEA (типы катализаторов, толщина мембраны), температуры, плотности тока, механической конструкции и т. Д.При любом заданном наборе условий MEA (мембранный электродный узел) будет иметь параметры зависимости напряжения от тока (обычно называемые кривой ВАХ).

Эти кривые будут иметь более низкие напряжения при более низких плотностях тока. Это означает меньшую мощность на единицу произведенного газа. Но поскольку вы также обеспечиваете меньший ток, вам необходимо иметь большие активные области и / или больше ячеек для генерации того же общего количества газа (но при более низкой общей мощности).

По сути, это означает, что вы можете достичь более высокой эффективности, но обычно это увеличивает стоимость стека, поскольку у вас больше ячеек и, следовательно, больше компонентов.Конечно, для некоторых систем может потребоваться более высокая стоимость стека, поскольку это приводит к снижению общих затрат (или массы) системы, позволяя использовать удобные и недорогие источники питания, меньше солнечных панелей и т. Д.

Конечно, есть много других факторов, которые влияют на правильный выбор вашего проекта электролизера. Мы здесь, чтобы помочь! Сообщите нам по электронной почте или в комментариях, если у вас есть какие-либо вопросы, которые вы бы хотели, чтобы мы рассмотрели.

Хороших выходных!

Электролиз воды с анионообменной мембраной: как это работает

фигура.изображение { дисплей: нет; } ]]>

Зеленый водород, производимый из воды с использованием возобновляемых источников энергии, признан наиболее многообещающим энергоносителем, который у нас есть для полной замены ископаемого топлива во многих секторах. За последнее столетие было разработано несколько различных технологий, используемых для производства зеленого водорода, но очень важная часть головоломки долгое время отсутствовала. Компания Enapter завершила эту головоломку, разработав технологию анионообменных мембран (AEM) для электролиза воды.

Но прежде чем мы посмотрим на AEM, нам нужно ответить на вопрос: почему мы можем хранить энергию в водороде?

Электролиз воды — это реакция расщепления молекул воды на водород и кислород. Это эндотермический процесс, что означает, что он может поглощать и накапливать энергию в виде химических связей в водороде. С другой стороны, обратная реакция водорода и кислорода с образованием молекул воды является экзотермической реакцией, которая выделяет энергию в окружающую среду. Используя цикл эндотермического электролиза воды и последующих экзотермических реакций образования воды, мы можем хранить возобновляемую энергию в зеленом водороде — без ископаемого топлива и выбросов углекислого газа.

Как складывается AEM

Прежде чем углубляться в механизмы электролиза AEM, нам необходимо сначала понять самый важный компонент в электролизере AEM: батарею AEM, где происходит реакция расщепления воды. Как показано на диаграмме выше, одиночная ячейка разделена на две полуячейки анионообменной мембраной. Каждая полуячейка состоит из электрода, газодиффузионного слоя (GDL) и биполярной пластины (BPP). Несколько отдельных ячеек соединены биполярной пластиной, чтобы сформировать стек AEM.

Полуэлемент в электролизере AEM, в отличие от традиционного щелочного (ТА) электролизера, позволяет производить водород и кислород под давлением 35 бар и 1 бар соответственно. Разница давлений между полуячейками может препятствовать переходу производимого кислорода в полуячейку высокого давления, обеспечивая, таким образом, очень высокую чистоту водорода (99,9%).

Отделение H от H

₂ O

Водный электролит, содержащий всего 1% гидроксида калия (КОН), циркулирует только в анодной половине ячейки и смачивает мембрану, в то время как катодная сторона остается сухой.Следовательно, водород, произведенный из катодного полуэлемента, имеет низкое содержание влаги, и важно отметить, что в катодном полуэлементе не может быть КОН. Молекулы воды проходят через мембрану и восстанавливаются на катоде с образованием водорода. Источник питания от внешней цепи используется для создания разности электрических потенциалов на границе электролита и электрода. Затем разность потенциалов запускает реакцию выделения водорода (HER) посредством переноса электрона (e ^— ): 4H ₂ O + 4e ^— → 4OH ^— + 2H ₂ .

Произведенный водород затем выпускается через GDL в выходной трубопровод. Соответствующие катализаторы HER на катоде облегчают процесс, снижая энергетический барьер реакции.

pH и выделение кислорода

В слабощелочной среде электролизера AEM оставшийся гидроксид-ион (OH ^— ) из HER вернется в анодную полуячейку через мембрану. Замененный OH ^— представляет собой анион, который и дал название AEM.В электролизере протонообменной мембраны (PEM) протон (H ⁺ ) переносится через PEM в сильно кислой среде.

Следовательно, для электролизера PEM требуются металлы платиновой группы (PGM) в качестве катализаторов и дорогие биполярные пластины из титана, чтобы выдерживать сильную коррозию в кислой среде, в то время как катализаторы без PGM и стальные биполярные пластины являются достаточными для эффективного производства водорода в электролизере AEM. с разбавленным раствором КОН в электролизере AEM гораздо безопаснее обращаться, чем с электролитом с pH 14 в электролизере TA.

После того, как OH ^— транспортируется обратно на анодную сторону электролизера AEM, он потребляется реакцией выделения кислорода (OER): 4OH ^— → 2H ₂ O + O ₂ + 4e ^— . На каждые две единицы водорода одна единица кислорода генерируется путем переноса четырех единиц электронов. Следовательно, концентрация OH ^— в электролите может оставаться постоянной за счет постоянной подачи воды без добавления КОН. OER управляется разностью потенциалов на каталитических участках на аноде, и образовавшийся кислород удаляется из полуэлемента анода через GDL вместе с циркуляцией электролита.

Используя электролиз воды AEM, модульные электролизеры Enapter могут производить 500 нл зеленого водорода в час с чистотой 99,9% (99,999% после сушки) при давлении 35 бар из 0,4 л воды и 2,4 кВтч возобновляемой энергии. Мы думаем, что эти результаты говорят сами за себя, но мы горячо приглашаем вас обратиться к нашей команде, если у вас все еще есть вопросы о том, как создание зеленого водорода с помощью электролиза AEM может работать на вас.

, автор — Jingwen Wang

Узнайте больше о том, как мы продвигаем наши научно-исследовательские проекты с помощью мощного сканирующего электронного микроскопа.

Недорогое производство водорода с помощью анионообменного мембранного электролиза: обзор

Abstract

Электролиз воды с анионообменной мембраной (AEM) — это метод производства водорода, который достигается с помощью AEM с использованием электричества. Одним из основных преимуществ электролиза воды AEM является замена обычных электрокатализаторов на основе благородных металлов недорогими катализаторами на основе переходных металлов. Электролиз AEM все еще находится в стадии разработки; следовательно, с целью использования его для достижения в конечном итоге коммерчески жизнеспособного производства водорода, электролиз AEM требует дальнейших исследований и улучшений, в частности, в отношении его энергоэффективности, стабильности мембраны, надежности, простоты обращения и снижения затрат.

В этом обзоре рассматриваются современные технологии электролиза AEM для производства водорода. В нем также приводится краткое изложение важных исследований, проведенных в отношении мембран, электрокатализаторов и иономеров, используемых в электролизерах AEM, а также характеристик таких электролизеров. Целью этого обзора является выявление пробелов в исследованиях электролиза воды с помощью AEM и выработка рекомендаций для будущих направлений исследований электролиза воды с помощью AEM.

Сокращения

AEM

анионообменная мембрана

CCM

мембрана, покрытая катализатором

CCS

подложка, покрытая катализатором

DFT

теория функционала плотности

EIS

спектроскопия электрохимического импеданса

GDE

газодиффузионный электрод

HER

I реакция выделения водорода

HER

I реакция выделения водорода

MEA

интегрированный неорганический мембранный электродный узел

LDH

многослойный двойной гидроксид

LDPE

полиэтилен низкой плотности

MEA

мембранный электродный узел

OER

реакция выделения кислорода

ORR

реакция восстановления кислорода

PEM

протонообменная мембрана

QAPS

кватернизованный полистироловый полистирол

Ключевые слова

Анионообменная мембрана

Электролиз

Катализатор из неблагородных металлов

Узел мембранного электрода

Производство водорода

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст 9 0002 © 2017 Издано Elsevier Ltd.

No related posts.