Электролизёр для получения водорода чертежи схема: Электролизер для получения водорода чертежи схема — Мир Антенн

Содержание

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

ТОМСК, 10 дек – РИА Томск. Исследователи лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают промышленную установку (электролизер) для получения водорода на АЭС; запуск ее в серийное производство позволит вывести экологически чистую водородную энергетику на новый уровень. Подробности – в материале РИА Томск.

Ранее сообщалось, что водородная энергетика – одно из ведущих направлений по разработке экологически чистых способов получения энергии. Рамочная конвенция ООН, подписанная Россией в 2015 году, предполагает кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии в ближайшее десятилетие. Основными «поставщиками» углекислоты в атмосферу являются объекты традиционной энергетики (ГРЭС и ТЭЦ).

По данным открытых источников, будучи самым распространенным элементом на Земле и в космосе, водород, тем не менее, остается почти невостребованным.

Если в 2018 году в мире было добыто 4,4 миллиарда тонн нефти и 3,86 триллиона кубометров природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 миллионов тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз меньше, чем газа.

© пресс-служба Томского политехнического университета Водород, который сегодня используется в экономике, принято разделять на «серый» – из угля, нефти и газа, «голубой» – на теплоэлектростанциях или АЭС с технологией CCS – и «зеленый» – выделенный из воды (ВИЭ). Согласно недавним исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода являются «серым» и «голубым», его выработка создает огромный углеродный след, сопоставимый с половиной суммарных выбросов CO2 всей экономикой России, и только 1% водорода считается экологичным «зеленым».

Для масштабного перехода к получению энергии от сжигания водорода необходимо разработать технологии его производства, сопоставимые по объемам выпуска с традиционными источниками углеводородов.

Однако самый дешевый способ его производства – паровой риформинг (каталитическая конверсия углеводородов – метана, пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля – в присутствии водяного пара) в ходе реакции создает огромные объемы СО2.

Альтернатива пиролизу

Альтернативным методом получения водорода в промышленных масштабах (а именно такие нужны для запуска водородных электростанций) является электролиз.

Электролиз – это процесс разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и водород. Химическая реакция идет по схеме: 2Н2O + энергия —> 2h3+O2. Его преимущества: доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия; отсутствие загрязняющих выбросов; процесс автоматизирован; на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Главный недостаток – получение водорода дороже, чем при риформинге, в 1,5–3 раза.

В такой системе координат в выигрыше оказываются производители электроэнергии высокой мощности, которые могут «вложить» ее в производство высоколиквидного «зеленого» топлива. В России это главным образом атомщики, рассказал РИА Томск главный специалист лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ Виктор Дмитриенко.

© пресс-служба Томского политехнического университета «На атомных станциях себестоимость электроэнергии очень низкая. И мощности, как правило, избыточные. Потому мы сейчас предполагаем, что сможем заключить контракт с Росатомом, который хочет использовать свою дешевую электроэнергию для производства водорода. Это позволит корпорации стать крупнейшим производителем этого экологичного топлива в России», – сказал Дмитриенко.

Промышленные установки для получения водорода методом электролиза известны более 60 лет, поясняет ученый. В основном это электролизеры фильтр-прессного типа, которые на выходе позволяют получать водород и кислород.

Широкое распространение они получили в традиционной углеводородной энергетике – их устанавливают на ГРЭС и ТЭЦ, где водород используют для охлаждения турбинных подшипников, неизбежно раскаляющихся от трения. Еще один способ их использования – электролиз цветных металлов из измельченной руды. К примеру, золота. Но для выработки водорода как товарного продукта они не подходят.

«Наша цель – разработать электролизер, который бы обладал улучшенными характеристиками по сравнению с существующими. Соответственно, электролизер фильтр-прессного типа нам не подходит. Мы взяли за основу конструкцию мембранного типа, в которой катодное и анодное пространство разделены ионообменной мембраной», – рассказывает Дмитриенко.

Мембрана особого назначения

Казалось бы, электролиз – доступный и давно известный способ получения водорода из воды. Однако, если применять «школьную» конструкцию электролизера, вместо СО2 неизбежно будет вырабатываться не менее опасный побочный продукт – хлор (CI2), который появляется на аноде.

Если применять там электролиз для осаждения цветмета из руды без применения мембраны, будут вырабатываться огромные объемы хлора. Это значит, нужно строить дорогую систему очистки, утилизации, вентиляции. И все равно в жилых районах это будет бомба замедленного действия. Лучше вовсе избежать появления опасных соединений», – утверждает ученый.

Большинство имеющихся на рынке мембранных электролизеров разделяют катодную и анодную камеры, в которых происходит электролитическая диссоциация (химическая реакция, вызванная электрическим напряжением в жидком растворе), прокладкой из асбеста. Мембрана, которую используют томские политехники, сложнее.

«На нашей установке, в ходе электролиза, мы будем получать три продукта – водород, чистый медицинский кислород и 40%-ный раствор щелочи (КОН или NaОH). Все три составляющих – это товарные продукты. Но главная наша задача – разработать экономически выгодный электролизер для производства водорода в промышленных масштабах», – подчеркивает Дмитриенко.

От бумаги до железа

В настоящий момент исследователи ведут переговоры с Росатомом для включения своих исследований в программу водородной энергетики, запущенную в госкорпорации.

«У нас есть опыт работы с мембранными электролизерами. Мы уже выполняли работы по заказу «Трансгаза», там наш мембранный электролизер работал над изменением рН-среды. Есть опыт разработки и изготовления различных электролизеров с катионо- и анионообменными мембранами для осаждения золота из продуктивных растворов», – рассказывает Дмитриенко.

Промышленный мембранный электролизер для осаждения золота. Разработка ТПУ

За свою историю сотрудники лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ изготовили порядка 20 установок для электролиза. Для нужд «Алданзолото ГРК» политехники изготовили электролизер с анионообменными мембранами, для Дальневосточного федерального университета – опытно-промышленную установку осаждения металлов с катионо- и анионообменными мембранами, а для ООО «Гелиос» – pH-корректор с биполярными мембранами.

Опытной установки для производства водорода, «заточенной» под потребности Росатома, «в железе» пока нет, признает Дмитриенко.

© с сайта ТПУ «Предварительная конструкция у нас уже проработана. Все необходимые чертежи подготовлены. При наличии финансирования собрать опытную установку мы сможем быстро. Финансирование мы планируем получить от Росатома, если попадем в их водородную программу», – отмечает ученый.

Не в одиночку

Ранее также сообщалось, что в ноябре 2020 года ТПУ вошел в состав консорциума по развитию водородных технологий, который получил название «Технологическая водородная долина». Помимо ТПУ в консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

Участники консорциума будут вести совместные разработки технологий по всей «водородной цепочке»: от получения до использования водорода. Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ, заинтересованными в развитии водородной энергетики.

От водородной энергетики к водородной экономике

Парижское соглашение, принятое в 2016 году, направлено на противодействие глобальному потеплению, основной причиной которого считаются выбросы парниковых газов. Главным виновником антропогенных выбросов в итоге была объявлена энергетика на органическом топливе. Чтобы выполнить требования Парижского соглашения, структура мировой энергетики в ближайшие десятилетия, очевидно, должна претерпеть радикальные изменения. Многие страны мира всерьез говорят о полном отказе от традиционного сырья в пользу водорода. А что Россия? Сегодня научно-образовательные организации и представители промышленного и энергетического секторов пытаются развивать сферу, на которую в России — сырьевой державе, пока смотрят с недоверием. Водород — угроза или новая возможность для нашей страны? Отвечает Юрий Добровольский.

Название изображения

Юрий Анатольевич Добровольский — доктор химических наук, профессор, руководитель Центра компетенций национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке.

—Каковы цели и задачи Центра компетенций?

— Наш Центр в числе прочих был образован в конце 2017 года. Его задачи были сформулированы специальной программой — Национальной технологической инициативой. Центр создан с целью преодоления ряда технологических барьеров в рамках «сквозной» технологии для таких рынков НТИ, как Автонет, Аэронет, Маринет и самый «профильный» для нас — Энерджинет. Задача сотрудников центра «Новые и мобильные источники энергии» — разрабатывать новые технологии, создать консорциум из научных, образовательных и технологических партнеров, а также довести до опытных образцов те источники энергии — электрохимические и фотовольтаические, которые сегодня наиболее востребованы.

Когда Центр только создавался, мы уже понимали, что не сможем осваивать те рынки, которые давно заняты на Западе. Нам предстояло сделать сразу несколько шагов вперед и заняться разработкой принципиально новых технологий. Оценив собственные возможности, сотрудники Центра дали прогноз, что в 2020 году самой актуальной тематикой в энергетике и транспорте станет водородная. Как видите, мы не ошиблись.

Поэтому одну из задач — предсказывать новые тенденции — мы реализовали в полном объеме. Сейчас мы должны следовать актуальным направлениям в энергетике и создавать технологии, которые будут популярны в ближайшее время.

—Что входит в понятие «водородная энергетика»? Насколько данный вид энергетики востребован сегодня?

— Я бы шире смотрел на этот вопрос. Речь идет не столько о водородной энергетике как таковой, сколько вообще о водородной экономике. Чем объясняется возросший интерес? Эта тематика напрямую связана с проблемой изменения климата, а также уменьшением выбросов углекислого газа. Если согласиться с теорией антропогенного воздействия, то этой проблематикой, безусловно, надо заниматься. Для меня мотивация вполне ясна.

Решит ли водород все наши проблемы? Сразу скажу, что для энергетики в нынешнем ее понимании, когда ископаемое топливо сжигается, а тепло превращается в электроэнергию, водород — не лучший электроноситель. Между тем, это химический продукт, который активно используется в металлургии, химической и нефтехимической промышленности. Большинство азотных удобрений производится из водорода.

Для нас это шанс «озеленить» не только энергетику, но и всю экономику.

Но, конечно, тема неоднозначна: водород, который мы используем сегодня, нельзя назвать чистым и «зеленым». Что это значит? В свое время международное сообщество для более упрощенного восприятия разделило водород по типу источника на несколько условных цветов. Самый чистый водород, к которому мы сегодня стремимся, — «зеленый». Это водород, получаемый только от возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Данный цикл не предполагает никаких выбросов парниковых газов. Как ученый, оговорюсь, что в мире нет продукции без углеродного следа. При производстве на каком-то из этапов все равно выделяется углекислый газ. Но «зеленый» водород больше всех приблизился к передовым технологиям, исключающим выбросы. Впрочем, нельзя забывать, что водород, полученный путем электролиза, самый дорогой.

Название изображения

«Оранжевый» водород — это водород, полученный с использованием электроэнергии атомных электростанций. И помимо этого существует «серый» и «голубой» водород. Основная часть самого дешевого водорода, производимого сегодня, — это «серый» водород. Его получают из природного газа методом парогазовой инверсии. Вода смешивается с природным газом, нагревается на катализаторе, и на выходе получается смесь водорода и углекислого газа (с которым мы боремся). «Голубой» водород — это водород, который получен так же, как и «серый», но в данном случае углекислый газ тем или иным способом захоранивают, чтобы не допустить его выделения в атмосферу.

Существует еще «бирюзовый» водород, также полученный из углеводородов, когда на выходе вместе с водородом получается не углекислый газ, а те или иные формы чистого углерода: например, угольная сажа. Это для нас привычный продукт. Мы знаем, где и как его использовать, а главное хранить.

Сегодня водородная энергетика вошла в повестку политиков и экономистов. Во многих странах мира приняты программы по ее развитию. Водород может обеспечить всю цепочку создания разных продуктов.

И пусть водород — не самое лучшее топливо для энергетики, он очень удобно сочетается с возобновляемой энергетикой — солнечной и ветровой. Цикл производства у возобновляемых источников энергии всегда прерывистый. Поэтому избыток энергии необходимо где-то накапливать, чтобы расходовать его тогда, когда ее не хватает. Пока существующие технологии достаточно дорогие. А водород можно хранить практически бесконечно, и в рамках «зеленой» электроэнергии — использовать как источник энергии для транспорта. Над этим мы сегодня активно работаем.

—Прежде чем использовать водород, его необходимо произвести. Какой опыт наработан в этой сфере?

— Мы как консорциум ведущих научно-образовательных организаций действительно накопили большой опыт в производстве и использовании водорода. Нам удалось наладить разработку и передачу модельных образцов индустриальным партнерам на производство. Здесь, на территории Института проблем химической физики в Черноголовке расположен центр, который традиционно занимается получением водорода и переработкой углеводородов. В нашем институте этой тематикой занимаются на протяжении многих десятилетий. Поэтому, когда сформировался Центр компетенций НТИ, нам было легко начать исследования и разработки, поскольку необходимые навыки в водородной тематике уже были получены.

Мы продолжаем работать над производством «голубого» водорода. Помимо этого, мы сотрудничаем с коллегами из Томска и Москвы в рамках работ по получению пиролизного или «бирюзового» водорода. Кстати сказать, подобные разработки представлены только в нашей стране. Первый прототип уже готов.

Когда речь идет о транспорте — самолете, автомобиле, поезде, необходимо создавать и заправочные системы, желательно дешевые, иначе идея не получит прикладной реализации. И такая заправка у нас есть. С помощью электролизного блока мы пытаемся получить тот самый «зеленый» водород. Правда, пока о его исключительной экологической чистоте речи не идет, поскольку электричество мы все равно получаем из розетки, а не от ветряков или солнечных панелей.

Сейчас наша цель — создать установку для промышленности, на которой можно получать дешевый водород разными способами в зависимости от сырья.

Детали электролизера для получения водорода

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

Электролизер для получения водорода

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

—Какими результатами уже можно похвастаться?

— За последние полгода мы создали работающий электролизер для заправочной станции. И это очень короткий срок. Считается, что приемлемый цикл от начала разработки до ее первого образца — от 3 до 5 лет.

Перед фирмой, которую возглавляют выпускники аспирантуры нашего института, была поставлена задача сделать первый российский большой электролизер для заправочной станции. Уже этой весной он будет подключен к установке. Буквально за 6 месяцев нам удалось довести технологию до опытного образца с работающей заправкой. Кстати, недавно к нам приезжали зарубежные коллеги для переговоров об испытании водородного транспорта с использованием нашей заправки.

—Есть ли интерес со стороны государства к экспертным прогнозам и технологиям, которые создаете вы и ваши коллеги?

— Интерес очень большой. Но пока словесный. Прошло еще слишком мало времени с тех пор, когда была инициирована программа на государственном уровне. В декабре 2020 года президент Владимир Путин сказал, что в 2023 году в Москве появятся автобусы на водородном топливе. Конечно, в 2023 году таких автобусов в массовом производстве точно еще не будет. Возможно, к этому времени разработают первый опытный экземпляр. Но это слишком короткий срок для строительства необходимой инфраструктуры. Тем не менее, хорошо, что эта тематика появилась в повестке государства.

Помимо этого, Минэнерго положило начало реализации программы развития водородной энергетики в России. Совсем скоро будет готова «дорожная карта». Я вхожу в рабочую группу по ее разработке, а наша аналитика лежит в основе создаваемых сопроводительных документов. Сотрудники центра компетенций реализовали аналитический проект по ситуации с водородной энергетикой в России. Другой схожий проект в очень короткий срок мы выполнили для «Росатома». Кто бы мог подумать, что именно «Росатом» подключится к этой тематике по производству и использованию водорода.

—Россия, будучи сырьевой державой, уже нацелена на развитие водородной энергетики: разработана программа до 2050 года.

— Пока до 2035 года. Но программа до 2050-го также появится в ближайшее время.

—Сможем ли мы перейти к этому источнику энергии и уйти от добычи нефти и газа?

— Вопрос, конечно, сложный. Почему ведутся бурные дискуссии по водороду в России? Во-первых, Россия, надо признать честно, больше не технологическая, а сырьевая держава, и большая часть нашего бюджета основана на экспорте углеводородов. Если внимательно посмотреть на прогнозы европейских компаний, то доля экспорта газа будет уменьшаться за счет возрастающего экспорта водорода. Поэтому возникает логичный вопрос, а надо ли нам в этом участвовать? Не потеряем ли мы часть доходов?

Ясно, что риски существуют, особенно при условии, что Россия станет производить только «голубой» водород. По самым оптимистичным прогнозам, лишь половина водорода будет «зеленым», а вторая половина — «голубым». Другие виды и вовсе не рассматриваются в существующих программах развития, принятых в разных странах.

Плюс ко всему, стремясь к водородной энергетике, мы упираемся в проблему, связанную с транспортировкой водорода: его тяжело хранить и транспортировать. На самом деле, производство водорода оценивается в миллиардах тонн. Но его производят и потребляют в одном месте.

Вопрос экспорта стоит остро и для Европы. Они не смогут произвести столько водорода, сколько планируют использовать в рамках утвержденных программ. А значит, они будут зависимы от импортируемого водорода. Будет ли это Россия, африканские страны или государства Южной Америки — зависит от многих причин, в том числе и от нашей готовности поставлять водород. При этом мы говорим о водороде, который к 2050 году должен сильно «позеленеть».

Название изображения

Очевидно, что потребление природного газа уменьшится. Заменим ли мы его водородом или нет, пока неясно. Хотя вопрос транспортировки частично решен, поскольку трубопроводный способ доставки водорода — самый дешевый.

Основная идея, которую я (и некоторые политические деятели) продвигаю, заключается в том, что без внутреннего потребления водорода и необходимой инфраструктуры Россия сильно отстанет. Мы можем построить ветряки, электролизеры и прочее, но они будут бесполезны без экспорта и внутреннего потребления. Для России наиболее правильным направлением для внутреннего потребления водорода можно считать транспорт. Существующие электромобили на аккумуляторах непригодны для больших расстояний и порой суровых погодных условий нашей страны. Водородные топливные элементы, а также производимое ими избыточное тепло, которое можно использовать для нагрева, — замечательная альтернатива. Это и есть то самое преимущество водородной энергетики конкретно для России или других холодных стран.

Это направление может стать драйвером нашей экономики. Есть шанс спасти отечественный автопром от отставания. Большой интерес проявляют «КамАЗ», «ГАЗ» — ведущие объединения машиностроительной группы. Даже РЖД планирует перевести локомотивы на водород.

Второе интересующее нас направление связано с экспортом металлов, азотных удобрений и других продуктов химической промышленности. При введении углеродного налога, производство «зеленого» водорода станет значительно выгоднее, а у нас появится новое конкурентное преимущество.

В конце концов, водородное топливо наиболее экологически чистое. В процессе его использования остается только вода. И единственный способ решения экологической проблемы напрямую связан с введением электрического, а для России — водородного транспорта.

Совсем скоро выйдет статья, основанная на нашем расчете показателей экономики и выбросов углекислого газа разных видов автобусов, из которого следует, что для московского региона водородный автобус — это уже сегодня экологически оправданное явление.

Название изображения

—Какие научные задачи необходимо решить в первую очередь? Вы много говорили о технологиях, о создании мобильных источников энергии и аккумуляторов к ним. А что насчет фундаментальных задач?

— Их фантастически много на каждой стадии получения, хранения, транспортировки и переработки в электроэнергию или любой другой продукт. Одна из наиболее актуальных задач связана с получением водорода более дешевым, чем электролиз, способом. Например, фотокатализом — фотобиологическое получение водорода буквально из грязи.

Вторая фундаментальная задача связана с хранением водорода. Пока мы до конца не научились правильно транспортировать и хранить водород. Именно поэтому стоимость водорода по большей части складывается из цены логистики: хранения и передачи. Есть много интересных работ в этом направлении: например, хранение водорода в различных органических соединениях.

Третью задачу пытаемся решить в том числе и мы. Речь идет о создании топливных элементов. Сегодня активно используется только два типа топливных элементов: твердополимерные и твердооксидные. Самая перспективная область развития связана со среднетемпературными топливными элементами. Опытные образцы уже существуют. Однако их эффективность гораздо хуже, чем у тех, которые мы уже используем. Я надеюсь, что в дальнейшем эти технологии продвинутся вперед и обеспечат нас новыми видами экологически чистого транспорта и другими передовыми решениями.

—Что ждет водородную энергетику в будущем?

— Ближайшие пять лет нас ждет множество новых способов получения водорода и отдельные работы по транспортировке: из Австралии в Японию морем, по трубопроводам европейских государств, внутренняя транспортировка по стране, в органических и неорганических носителях и так далее. Мы точно не знаем, какой из способов в итоге будет предпочтительным, но экспериментировать в этой области точно продолжат в ближайшие годы.

Помимо этого, ожидается всплеск интереса к водородной технике. В Европе он уже происходит прямо сейчас. Совсем недавно к нам приезжали сотрудники одного из крупнейших автобусных производителей — фирмы Solaris. По их сведениям, заказы на водоробусы уже полностью сформированы до 2022. При этом на электробусы, которые они также массово выпускают — только до середины 2021-го.

Отдельная история для России: локомотивы нового поколения. Расчеты указывают на то, что водородный локомотив будет востребован. Опытный образец появится в России уже в следующем году.

Активно будет развиваться и водный транспорт. Уже сегодня экологические нормы на каботажные суда (те, которые ходят между морскими портами одного и того же государства) предполагают нулевое загрязнение окружающей среды. А этого можно достичь только двумя способами: использовать аккумулятор либо водород.

И, конечно, нельзя забывать об авиации. К сожалению, в России слабо развита сфера гражданского авиастроения. При этом, на Западе это направление активно развивается. Прогнозы предполагают, что короткие рейсы на малых самолетах точно перейдут на водород, а в крупных самолетах появятся вспомогательные силовые установки на водороде. Такие гиганты, как «Boeing» и «Airbus» заявили, что в 2035 году их самолеты будут летать на водородном топливе. Скажу честно, я скептически к этому отношусь. Напомню, что один из первых самолетов на водородном топливе — «Ту-155» — летал в СССР еще в прошлом веке. «Boeing» и «Airbus» пытаются по-новому спроектировать что-то подобное.

Конечно, использование водорода иногда может быть не оправдано. Но мы все чаще говорим о переходе от углеводородной экономики на экономику возобновляемых источников энергии, и водород — один из ключевых компонентов.

[embedded content]

Название видео

Промышленные водородные электролизеры | ЭкоГазСистем

В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере на составляющие ее водород и кислород. Деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам. Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.

Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор. Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель). Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи. Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор, а оттуда – в блок электролиза.

На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор. Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика. Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе сбрасывается в атмосферу.

В «Блоке очистки» водород сначала поступает в реактор каталитической очистки. Реактор представляет собой сосуд, заполненный мелкими гранулами катализатора на основе благородных металлов (платина, палладий). В присутствии катализатора примеси кислорода активно реагируют с водородом, обращаясь в воду. Таким образом водород практически полностью очищается от кислорода (содержание кислорода порядка 1-5 ppmv). Далее водород подаётся в осушитель. Осушитель действует на принципе короткоцикловой адсорбции (КЦА). В нем два попеременно работающий сосуда-адсорбера, заполненных специальным поглотителем (адсорбентом). Адсорбент поглощает влагу из газа. Сосуды-адсорберы работают попеременно – один находится в рабочем цикле, другой – в цикле регенерации. Таким образом водород осушается до точки росы -75°С, после чего подаётся потребителю.

Замечание по терминологии. В отечественной традиции используется термин «установка по производству водорода». Наравне с этим используется термин «генератор водорода», который является калькой с английского языка. Под генератором водорода обычно понимают установку, в состав которой входят: электролизер, блок сепарации, блок очистки водорода. Термином «водородная станция» обычно обозначают здание или автономный блок-контейнер, в котором размещены генератор водорода и вспомогательные агрегаты, такие как блок водоподготовки, блок электропитания, система охлаждения и прочее.

От водородной энергетики к водородной экономике

Название изображения

— Каковы цели и задачи Центра компетенций?

— Что входит в понятие «водородная энергетика»? Насколько данный вид энергетики востребован сегодня?

Для нас это шанс «озеленить» не только энергетику, но и всю экономику.

Название изображения

Сегодня водородная энергетика вошла в повестку политиков и экономистов. Во многих странах мира приняты программы по ее развитию. Водород может обеспечить всю цепочку создания разных продуктов.

— Прежде чем использовать водород, его необходимо произвести. Какой опыт наработан в этой сфере?

Детали электролизера для получения водорода

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

Электролизер для получения водорода

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

— Какими результатами уже можно похвастаться?

— Есть ли интерес со стороны государства к экспертным прогнозам и технологиям, которые создаете вы и ваши коллеги?

— Россия, будучи сырьевой державой, уже нацелена на развитие водородной энергетики: разработана программа до 2050 года.

— Пока до 2035 года. Но программа до 2050-го также появится в ближайшее время.

— Сможем ли мы перейти к этому источнику энергии и уйти от добычи нефти и газа?

Плюс ко всему, стремясь к водородной энергетике, мы упираемся в проблему, связанную с транспортировкой водорода: его тяжело хранить и транспортировать. На самом деле, производство водорода оценивается в миллиардах тонн. Но его производят и потребляют в одном месте.

Название изображения

Это направление может стать драйвером нашей экономики. Есть шанс спасти отечественный автопром от отставания. Большой интерес проявляют «КамАЗ», «ГАЗ» — ведущие объединения машиностроительной группы. Даже РЖД планирует перевести локомотивы на водород.

Название изображения

— Какие научные задачи необходимо решить в первую очередь? Вы много говорили о технологиях, о создании мобильных источников энергии и аккумуляторов к ним. А что насчет фундаментальных задач?

— Что ждет водородную энергетику в будущем?

Название видео

Ученые создали материалы для получения чистого водорода из биотоплива — Газета.Ru

Российские ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН создали нанокомпозитные материалы для мембран, позволяющих получать чистый водород. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья ученых опубликована в журнале International Journal of Hydrogen Energy.

Водород – самый легкий газ во Вселенной. Кроме своей легкости, он обладает рядом других очень важных свойств. Например, при его сгорании или переработке в топливном элементе выделяется огромное количество энергии, которую затем можно преобразовать в электроэнергию.

Потребность в водородном топливе растет каждый год, и, по прогнозам, в XXI веке нас ожидает резкий рост спроса на водород. Это будет связано с увеличением глубины переработки нефти, с развитием производства аммиака, метанола, жидкого топлива, процессов получения качественного железа и с развитием водородного транспорта.

Самый простой способ производства водорода – электролиз. Это процесс пропускания электрического тока через водный раствор определенных солей. Эффективность такого способа крайне низка, поэтому перспективным методом получения водорода сегодня считается конверсия главной составляющей природного газа – метана. Конверсия – это процесс превращения одних газов в другие, происходящий при высокой температуре. Так, из смеси метана и воды получается смесь из углекислого газа и водорода. Также в качестве исходного топлива для производства водорода с помощью конверсии можно использовать этиловый спирт (этанол). Чтобы повысить эффективность такого способа получения водорода, необходимо применять катализаторы – специальные материалы, ускоряющие течение реакции.

Сегодня для эффективного выделения водорода из смеси продуктов реакции используют специальные мембраны (упругие перепонки). Наиболее перспективны мембраны из плотных материалов. Они позволяют выделять водород из смеси газов, образующихся после процесса превращения, но не пропускают молекулы исходных веществ (метана или этанола) и побочных продуктов, таких как угарный и углекислый газы. В химическом реакторе на контактирующую с топливной смесью поверхность мембран наносится пористый слой катализатора, в котором и протекают реакции паровой конверсии биотоплив (метана или этанола). Водород из смеси продуктов переносится через мембрану на другую сторону, после чего его можно выделить и использовать.

Ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН разработали нанокомпозитный материал, состоящий из вольфрамата неодима и наночастиц сплава никеля с медью. Он хорошо проводит через себя водород и обладает высокой стабильностью в рабочих условиях. Ученые нанесли тонкие слои этого нанокомпозита на подложку из никель-алюминиевого пеносплава, а затем покрыли его пористым слоем катализатора. Это позволило создать каталитические мембраны для получения чистого водорода из биотоплива.

«В сравнении со стандартным материалом для мембран – палладием – или его сплавами, наши нанокомпозиты намного дешевле и их эффективность отвечает требованиям практики», – говорит доктор химических наук, заведующий лабораторией катализаторов глубокого окисления Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН Владислав Садыков.

В рамках проекта, поддержанного грантом РНФ, ученые определили важные физико-химические характеристики полученных материалов, включая водородную проницаемость мембран, рабочие параметры процессов паровой конверсии метана и этанола в мембранных реакторах, ресурс работы (время, в течение которого катализатор и мембрана могут функционировать без ухудшения своих свойств). Измерения показали, что полученные исследователями материалы позволяют эффективно проводить реакции конверсии топлив в мембранных реакторах с выделением чистого водорода и имеют характеристики и ресурс работы, соответствующие современным промышленным требованиям.

«Технология синтеза наших материалов и конструкция мембранного реактора отработаны на лабораторном уровне. Переход на пилотный уровень – задача ближайшего будущего. Для внедрения каталитических мембран на промышленном уровне требуется существенно больше вложений», – резюмирует Владислав Садыков.

Генератор водорода для отопления своими руками

Давно уже прошли те времена, когда загородный дом можно было обогреть лишь одним способом — сжигая в печке дрова или уголь. Современные отопительные приборы используют различные виды топлива и при этом автоматически поддерживают комфортную температуру в наших жилищах. Природный газ, дизель или мазут, электричество, гелио- и геотермальное тепло — вот неполный список альтернативных вариантов. Казалось бы — живи и радуйся, да вот только постоянный рост цен на топливо и оборудование вынуждает продолжать поиски дешёвых способов отопления. А вместе с тем неиссякаемый источник энергии — водород, буквально лежит у нас под ногами. И сегодня мы поговорим о том, как использовать в качестве горючего обычную воду, собрав генератор водорода своими руками.

Устройство и принцип работы генератора водорода

Заводской генератор водорода представляет собой внушительный агрегат

Использовать водород в качестве топлива для обогрева загородного дома выгодно не только по причине высокой теплотворной способности, но и потому, что в процессе его сжигания не выделяется вредных веществ. Как все помнят из школьного курса химии, при окислении двух атомов водорода (химическая формула H₂ – Hidrogenium) одним атомом кислорода, образуется молекула воды. При этом выделяется в три раза больше тепла, чем при сгорании природного газа. Можно сказать, что равных водороду среди других источников энергии нет, поскольку его запасы на Земле неисчерпаемы — мировой океан на 2/3 состоит из химического элемента H₂, да и во всей Вселенной этот газ наряду с гелием является главным «строительным материалом». Вот только одна проблема — для получения чистого H₂ надо расщепить воду на составляющие части, а сделать это непросто. Учёные долгие годы искали способ извлечения водорода и остановились на электролизе.

Схема работы лабораторного электролизёра

Этот способ получения летучего газа заключается в том, что в воду на небольшом расстоянии друг от друга помещаются две металлические пластины, подключённые к источнику высокого напряжения. При подаче питания высокий электрический потенциал буквально разрывает молекулу воды на составляющие, высвобождая два атома водорода (HH) и один — кислорода (O). Выделяющийся газ назвали в честь физика Ю. Брауна. Его формула — HHO, а теплотворная способность — 121 МДж/кг. Газ Брауна горит открытым пламенем и не образует никаких вредных веществ. Главное достоинство этого вещества в том, что для его использования подойдёт обычный котёл, работающий на пропане или метане. Заметим только, что водород в соединении с кислородом образует гремучую смесь, поэтому потребуются дополнительные меры предосторожности.

Схема установки для получения газа Брауна

Генератор, предназначенный для получения газа Брауна в больших количествах, содержит несколько ячеек, каждая из которых вмещает в себя множество пар пластин-электродов. Они установлены в герметичной ёмкости, которая оборудована выходным патрубком для газа, клеммами для подключения питания и горловиной для заливки воды. Кроме того, установка оборудуется защитным клапаном и водяным затвором. Благодаря им устраняется возможность распространения обратного пламени. Водород горит только на выходе из горелки, а не воспламеняется во все стороны. Многократное увеличение полезной площади установки позволяет извлекать горючее вещество в количествах, достаточных для различных целей, включая обогрев жилых помещений. Вот только делать это, используя традиционный электролизёр, будет нерентабельно. Проще говоря, если потраченное на добычу водорода электричество напрямую использовать для отопления дома, то это будет намного выгоднее, чем топить котёл водородом.

Водородная топливная ячейка Стенли Мейера

Выход из сложившейся ситуации нашёл американский учёный Стенли Мейер. Его установка использовала не мощный электрический потенциал, а токи определённой частоты. Изобретение великого физика состояло в том, что молекула воды раскачивалась в такт изменяющимся электрическим импульсам и входила в резонанс, который достигал силы, достаточной для её расщепления на составляющие атомы. Для такого воздействия требовались в десятки раз меньшие токи, чем при работе привычной электролизной машины.

Видео: Топливная ячейка Стенли Мейера

За своё изобретение, которое могло бы освободить человечество от кабалы нефтяных магнатов, Стенли Мейер был убит, а труды его многолетних изысканий пропали неизвестно куда. Тем не менее сохранились отдельные записи учёного, на основании которых изобретатели многих стран мира пытаются строить подобные установки. И надо сказать, небезуспешно.

Преимущества газа Брауна как источника энергии

Вода, из которой получают HHO, является одним из наиболее распространённых веществ на нашей планете.
При сгорании этого вида топлива образуется водяной пар, который можно обратно конденсировать в жидкость и повторно использовать в качестве сырья.
В процессе сжигания гремучего газа не образуется никаких побочных продуктов, кроме воды. Можно сказать, что нет более экологичного вида топлива, чем газ Брауна.
При эксплуатации водородной отопительной установки выделяется водяной пар в количестве, достаточном для поддержания влажности в помещении на комфортном уровне.

Вам также может быть интересен материал о том, как соорудить самостоятельно газовый генератор: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/kotly/gazogenerator-na-drovakh-dlya-otopleniya-doma-svoimi-rukami.html

Область применения

Сегодня электролизёр — такое же привычное устройство, как и генератор ацетилена или плазменный резак. Изначально водородные генераторы использовались сварщиками, поскольку носить за собой установку весом всего несколько килограмм было намного проще, чем перемещать огромные кислородные и ацетиленовые баллоны. При этом высокая энергоёмкость агрегатов решающего значения не имела — всё определяло удобство и практичность. В последние годы применение газа Брауна вышло за рамки привычных понятий о водороде, как топливе для газосварочных аппаратов. В перспективе возможности технологии очень широки, поскольку использование HHO имеет массу достоинств.

Сокращение расхода горючего на автотранспорте. Существующие автомобильные генераторы водорода позволяют использовать HHO как добавку к традиционному бензину, дизелю или газу. За счёт более полного сгорания топливной смеси можно добиться 20 – 25 % снижения потребления углеводородов.
Экономия топлива на тепловых электростанциях, использующих газ, уголь или мазут.
Снижение токсичности и повышение эффективности старых котельных.
Многократное снижение стоимости отопления жилых домов за счёт полной или частичной замены традиционных видов топлива газом Брауна.
Использование портативных установок получения HHO для бытовых нужд — приготовления пищи, получения тёплой воды и т. д.
Разработка принципиально новых, мощных и экологичных силовых установок.

Генератор водорода, построенный с использованием «Технологии водяных топливных ячеек» С. Мейера (а именно так назывался его трактат) можно купить — их изготовлением занимается множество компаний в США, Китае, Болгарии и других странах. Мы же предлагаем изготовить водородный генератор самостоятельно.

Видео: Как правильно обустроить водородное отопление

Что необходимо для изготовления топливной ячейки дома

Приступая к изготовлению водородной топливной ячейки, надо обязательно изучить теорию процесса образования гремучего газа. Это даст понимание происходящего в генераторе, поможет при настройке и эксплуатации оборудования. Кроме того, придётся запастись необходимыми материалами, большинство из которых будет нетрудно найти в торговой сети. Что же касается чертежей и инструкций, то мы постараемся раскрыть эти вопросы в полном объёме.

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Самодельная установка для получения газа Брауна состоит из реактора с установленными электродами, ШИМ-генератора для их питания, водяного затвора и соединительных проводов и шлангов. В настоящее время существует несколько схем электролизёров, использующих в качестве электродов пластины или трубки. Кроме того, в Сети можно найти и установку так называемого сухого электролиза. В отличие от традиционной конструкции, в таком аппарате не пластины устанавливаются в ёмкость с водой, а жидкость подаётся в зазор между плоскими электродами. Отказ от традиционной схемы позволяет значительно уменьшить габариты топливной ячейки.

В работе можно использовать чертежи и схемы рабочих электролизёров, которые можно адаптировать под собственные условия.

Выбор материалов для строительства генератора водорода

Для изготовления топливной ячейки практически никаких специфичных материалов не требуется. Единственное, с чем могут возникнуть сложности, так это электроды. Итак, что надо подготовить перед началом работы.

Если выбранная вами конструкция представляет собой генератор «мокрого» типа, то понадобится герметичная ёмкость для воды, которая одновременно будет служить и корпусом реактора. Можно взять любой подходящий контейнер, главное требование — достаточная прочность и газонепроницаемость. Разумеется, при использовании в качестве электродов металлических пластин лучше использовать прямоугольную конструкцию, к примеру, тщательно загерметизированный корпус от автомобильного аккумулятора старого образца (чёрного цвета). Если же для получения HHO будут применяться трубки, то подойдёт и вместительная ёмкость от бытового фильтра для очистки воды. Самым же лучшим вариантом будет изготовление корпуса генератора из нержавеющей стали, например, марки 304 SSL.
Электродная сборка для водородного генератора «мокрого» типа
При выборе «сухой» топливной ячейки понадобится лист оргстекла или другого прозрачного пластика толщиной до 10 мм и уплотнительные кольца из технического силикона.
Трубки или пластины из «нержавейки». Конечно, можно взять и обычный «чёрный» металл, однако в процессе работы электролизёра простое углеродистое железо быстро корродирует и электроды придётся часто менять. Применение же высокоуглеродистого металла, легированного хромом, даст генератору возможность работать длительное время. Умельцы, занимающиеся вопросом изготовления топливных ячеек, длительное время занимались подбором материала для электродов и остановились на нержавеющей стали марки 316 L. К слову, если в конструкции будут использоваться трубки из этого сплава, то их диаметр надо подобрать таким образом, чтобы при установке одной детали в другую между ними был зазор не более 1 мм. Для перфекционистов приводим точные размеры:
— диаметр внешней трубки — 25.317 мм;
— диаметр внутренней трубки зависит от толщины внешней. В любом случае он должен обеспечивать зазор между этими элементами равный 0.67 мм.
От того, насколько точно будут подобраны параметры деталей водородного генератора, зависит его производительность
ШИМ-генератор. Правильно собранная электрическая схема позволит в нужных пределах регулировать частоту тока, а это напрямую связано с возникновением резонансных явлений. Другими словами, чтобы началось выделение водорода, надо будет подобрать параметры питающего напряжения, поэтому сборке ШИМ-генератора уделяют особое внимание. Если вы хорошо знакомы с паяльником и сможете отличить транзистор от диода, то электрическую часть можно изготовить самостоятельно. В противном случае можно обратиться к знакомому электронщику или заказать изготовление импульсного источника питания в мастерской по ремонту электронных устройств.
Импульсный блок питания, предназначенный для подключения к топливной ячейке, можно купить в Сети. Их изготовлением занимаются небольшие частные компании в нашей стране и за рубежом.
Электрические провода для подключения. Достаточно будет проводников сечением 2 кв. мм.
Бабблер. Этим причудливым названием умельцы обозвали самый обычный водяной затвор. Для него можно использовать любую герметичную ёмкость. В идеале она должна быть оборудована плотно закрывающейся крышкой, которая при возгорании газа внутри будет мгновенно сорвана. Кроме того, рекомендуется между электролизёром и бабблером устанавливать отсекатель, который будет препятствовать возвращению HHO в ячейку.
Конструкция бабблера
Шланги и фитинги. Для подключения генератора HHO понадобятся прозрачная пластиковая трубка, подводящий и отводящий фитинг и хомуты.
Гайки, болты и шпильки. Они понадобятся для крепления частей электролизёра между собой.
Катализатор реакции. Для того чтобы процесс образования HHO шёл интенсивнее, в реактор добавляют гидроксид калия KOH. Это вещество можно без проблем купить в Сети. На первое время будет достаточно не более 1 кг порошка.
Автомобильный силикон или другой герметик.

Заметим, что полированные трубки использовать не рекомендуется. Наоборот, специалисты рекомендуют обработать детали наждачной бумагой для получения матовой поверхности. В дальнейшем это будет способствовать увеличению производительности установки.

Инструменты, которые потребуются в процессе работы

Прежде чем приступить к постройке топливной ячейки, подготовьте такие инструменты:

ножовку по металлу;
дрель с набором свёрл;
набор гаечных ключей;
плоская и шлицевая отвёртки;
угловая шлифмашина («болгарка») с установленным кругом для резки металла;
мультиметр и расходомер;
линейка;
маркер.

Кроме того, если вы будете самостоятельно заниматься постройкой ШИМ-генератора, то для его наладки потребуется осциллограф и частотомер. В рамках данной статьи мы этот вопрос поднимать не будем, поскольку изготовление и настройка импульсного блока питания лучше всего рассматривается специалистами на профильных форумах.

Обратите внимание на статью, в которой приведены другие источники энергии, которую можно использовать для обустройства отопления дома: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/alt_otoplenie/alternativnye-istochniki-energii.html

Инструкция: как сделать водородный генератор своими руками

Для изготовления топливной ячейки возьмём наиболее совершенную «сухую» схему электролизёра с использованием электродов в виде пластин из нержавеющей стали. Представленная ниже инструкция демонстрирует процесс создания водородного генератора от «А» до «Я», поэтому лучше придерживаться очерёдности действий.

Схема топливной ячейки «сухого» типа

Изготовление корпуса топливной ячейки. В качестве боковых стенок каркаса выступают пластины оргалита или оргстекла, нарезанные по размеру будущего генератора. Надо понимать, что размер аппарата напрямую влияет на его производительность, однако, и затраты на получение HHO будут выше. Для изготовления топливной ячейки оптимальными будут габариты устройства от 150х150 мм до 250х250 мм.
В каждой из пластин просверливают отверстие под входной (выходной) штуцер для воды. Кроме того, потребуется сверление в боковой стенке для выхода газа и четыре отверстия по углам для соединения элементов реактора между собой.
Изготовление боковых стенок
Воспользовавшись угловой шлифовальной машиной, из листа нержавеющей стали марки 316L вырезают пластины электродов. Их размеры должны быть меньше габаритов боковых стенок на 10 – 20 мм. Кроме того, изготавливая каждую деталь, необходимо оставлять небольшую контактную площадку в одном из углов. Это понадобится для соединения отрицательных и положительных электродов в группы перед их подключением к питающему напряжению.
Для того чтобы получать достаточное количество HHO, нержавейку надо обработать мелкой наждачной бумагой с обеих сторон.
В каждой из пластин сверлят два отверстия: сверлом диаметром 6 — 7 мм — для подачи воды в пространство между электродами и толщиной 8 — 10 мм — для отвода газа Брауна. Точки сверлений рассчитывают с учётом мест установки соответствующих подводящих и выходного патрубков.
Вот такой комплект деталей необходимо подготовить перед сборкой топливной ячейки
Начинают сборку генератора. Для этого в оргалитовые стенки устанавливают штуцеры подачи воды и отбора газа. Места их присоединений тщательно герметизируют при помощи автомобильного или сантехнического герметика.
После этого в одну из прозрачных корпусных деталей устанавливают шпильки, после чего начинают укладку электродов.
Укладку электродов начинают с уплотняющего кольца
Обратите внимание: плоскость пластинчатых электродов должна быть ровной, иначе элементы с разноимёнными зарядами будут касаться, вызывая короткое замыкание!
Пластины нержавеющей стали отделяют от боковых поверхностей реактора при помощи уплотнительных колец, которые можно сделать из силикона, паронита или другого материала. Важно только, чтобы его толщина не превышала 1 мм. Такие же детали используют в качестве дистанционных прокладок между пластинами. В процессе укладки следят, чтобы контактные площадки отрицательных и положительных электродов были сгруппированы в разных сторонах генератора.
При сборке пластин важно правильно ориентировать выходные отверстия
После укладки последней пластины устанавливают уплотнительное кольцо, после чего генератор закрывают второй оргалитовой стенкой, а саму конструкцию скрепляют при помощи шайб и гаек. Выполняя эту работу, обязательно следят за равномерностью затяжки и отсутствием перекосов между пластинами.
При финальной затяжке обязательно контролируют параллельность боковых стенок. Это позволит избежать перекосов
При помощи полиэтиленовых шлангов генератор подключают к ёмкости с водой и бабблеру.
Контактные площадки электродов соединяют между собой любым способом, после чего к ним подключают провода питания.
Собрав несколько топливных ячеек и включив их параллельно, можно получить достаточное количество газа Брауна
На топливную ячейку подают напряжение от ШИМ-генератора, после чего производят настройку и регулировку аппарата по максимальному выходу газа HHO.

Для получения газа Брауна в количестве, достаточном для отопления или приготовления пищи, устанавливают несколько генераторов водорода, работающих параллельно.

Видео: Сборка устройства

Видео: Работа конструкции «сухого» типа

Отдельные моменты использования

Прежде всего, хотелось бы отметить, что традиционный метод сжигания природного газа или пропана в нашем случае не подойдёт, поскольку температура горения HHO превышает аналогичные показатели углеводородов в три с лишним раза. Как вы сами понимаете, такую температуру конструкционная сталь долго не выдержит. Сам Стенли Мейер рекомендовал использовать горелку необычной конструкции, схему которой мы приводим ниже.

Схема водородной горелки конструкции С. Мейера

Вся хитрость этого устройства заключается в том, что HHO (на схеме обозначено цифрой 72) проходит в камеру сжигания через вентиль 35. Горящая водородная смесь поднимается по каналу 63 и одновременно осуществляет процесс эжекции, увлекая за собой наружный воздух через регулируемые отверстия 13 и 70. Под колпаком 40 задерживается некоторое количество продуктов горения (водяного пара), которое по каналу 45 попадает в колонку горения и смешивается с горящим газом. Это позволяет снизить температуру горения в несколько раз.

Второй момент, на который хотелось бы обратить ваше внимание — жидкость, которую следует заливать в установку. Лучше всего использовать подготовленную воду, в которой не содержатся соли тяжёлых металлов. Идеальным вариантом является дистиллят, который можно приобрести в любом автомагазине или аптеке. Для успешной работы электролизёра в воду добавляют гидроксид калия KOH, из расчёта примерно одна столовая ложка порошка на ведро воды.

В процессе работы установки важно не перегревать генератор. При повышении температуры до 65 градусов Цельсия и более электроды аппарата будут загрязняться побочными продуктами реакции, из-за чего производительность электролизёра уменьшится. Если же это всё-таки произошло, то водородную ячейку придётся разобрать и удалить налёт при помощи наждачной бумаги.

И третье, на чём мы делаем особое ударение — безопасность. Помните о том, что смесь водорода и кислорода не случайно назвали гремучей. HHO представляет собой опасное химическое соединение, которое при небрежном обращении может привести к взрыву. Соблюдайте правила безопасности и будьте особенно аккуратны, экспериментируя с водородом. Только в этом случае «кирпичик», из которого состоит наша Вселенная, принесёт тепло и комфорт вашему дому.

Правила безопасности необходимо соблюдать не только при монтаже водородного генератора. При сборке и эксплуатации биореактора тоже нужно быть крайне осторожным, поскольку биогаз взрывоопасен. Подробнее об этом типе установке читайте в следующей статье: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/alt_otoplenie/kak-poluchit-biogaz.html.

Надеемся, статья стала для вас источником вдохновения, и вы, засучив рукава, приступите к изготовлению водородной топливной ячейки. Разумеется, все наши выкладки не являются истиной в последней инстанции, однако, их вполне можно использовать для создания действующей модели водородного генератора. Если же вы хотите полностью перейти на этот вид отопления, то вопрос придётся изучить более детально. Возможно, именно ваша установка станет краеугольным камнем, благодаря которому закончится передел энергетических рынков, а дешёвое и экологичное тепло войдёт в каждый дом.

Благодаря разносторонним увлечениям пишу на разные темы, но самые любимые — техника, технологии и строительство. Возможно потому, что знаю множество нюансов в этих областях не только теоретически, вследствие учебы в техническом университете и аспирантуре, но и с практической стороны, так как стараюсь все делать своими руками. Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Ученые из США разработали эффективный способ извлечения водорода из воды — Социальная ответственность

Исследователи из Университета штата Вашингтон разработали быстрый и недорогой способ извлечения водорода из воды. Для проведения химической реакции ученые предлагают использовать катализатор, представляющий собой нанопену из никеля и железа. О результатах исследования, опубликованного в журнале Nano Energy, сообщил портал The New Atlas.

Водород считается возобновляемым источником энергии. Несмотря на то, что это самый распространенный химический элемент во Вселенной, он практически не встречается в чистом виде. Получение водорода в процессе электролиза (распад вещества на составные части при прохождении через него постоянного электрического тока) воды является самым чистым способом, но для химической реакции необходимы катализаторы — редкоземельные металлы, такие как платина. Электролиз воды еще не достиг промышленного масштаба, в основном, из-за затрат на катализаторы и энергию.

Ученые из Университета штата Вашингтон использовали в качестве катализатора два дешевых и широко распространенных металла. За счет большой площади поверхности, контактирующей с водой, нанопена из никеля и железа сама вызывает реакцию распада. Исследователи также отметили, что этот материал работает эффективнее и требует меньше энергии, чем более дорогие катализаторы, при этом не намного снижая активность в процессе 12-часового испытания.

Большое количество нанопены может быть произведено относительно быстро, процесс создания исследователи описывают как «очень простой метод, который можно легко использовать в крупномасштабном производстве».

После лабораторных испытаний исследователи проведут более масштабные тесты.

Согласно результатам исследования Программы по окружающей среде ООН (ЮНЕП) о перспективах перехода на возобновляемые источники энергии, сейчас на долю возобновляемых источников приходится 20% глобального производства энергии.

Материал предоставлен проектом «+1».

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 и проводимых им ионных частиц.

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом

В электролизере с мембраной с полимерным электролитом (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластик.

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

Электролизеры щелочные

Щелочные электролизеры работают за счет 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 щелочно-обменные мембраны (AEM) в качестве электролита, перспективны в лабораторных условиях.

Электролизеры на твердом оксиде

Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, который избирательно проводит отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах, вырабатывают водород несколько иначе.

Пар на катоде объединяется с электронами из внешнего контура 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 внешнего контура.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких, чтобы твердооксидные мембраны функционировали должным образом (около 700-800 ° C, по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70-90 ° C, и коммерческими щелочными электролизерами, которые обычно работать при температуре ниже 100 ° C).Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов обещают снизить рабочую температуру до 500–600 ° 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?

Электролиз — это ведущий способ производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («11 11»).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 выбросов парниковых газов и количества топлива, необходимого из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии.Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых (ветряных, солнечных, гидро-, геотермальных) и ядерных источников энергии. Эти способы производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, необходимо значительно снизить производственные затраты, чтобы быть конкурентоспособными с более зрелыми углеродными технологиями, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергизма с производством электроэнергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может предложить возможности для синергизма с динамическим и прерывистым производством электроэнергии, что характерно для некоторых технологий 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 в качестве растущей части структуры 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 ископаемого топлива с улавливанием, использованием и хранением углерода. Например, производство ветровой электроэнергии быстро растет в Соединенных Штатах и во всем мире.

Исследования направлены на преодоление трудностей

Достижение целевого показателя затрат на чистый водород Hydrogen Shot в размере 1 долл. США / кг H ₂ к 2030 г. (и промежуточного целевого показателя 2 долл. США / кг H ₂ к 2025 г.) за счет лучшего понимания компромиссов между производительностью, стоимостью и долговечностью электролизера системы в прогнозируемых будущих динамических режимах работы, использующие электроэнергию без CO ₂.
Снижение капитальных затрат на электролизер и остальную часть системы.
Повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород в широком диапазоне рабочих условий.
Повышение уровня понимания процессов деградации электролизеров и батарей, а также разработка стратегий смягчения последствий для увеличения срока эксплуатации.

Производство водорода с помощью электролиза воды PEM — Обзор

Основные моменты

•: Электролиз воды — одна из наиболее многообещающих альтернатив для хранения энергии из возобновляемых источников энергии.
•: Электролиз воды PEM обеспечивает устойчивое решение для будущего чистого производства водорода высокой степени чистоты.
•: Обзор электролиза воды PEM, включая проблемы, научные и технологические достижения.
•: Четко обсуждаемые быстрые разработки в области электролиза воды на основе ПЭМ, включая высокоэффективные электрокатализаторы.

Реферат

Водород — самый эффективный энергоноситель.Водород можно получить из различных источников сырья, включая воду. Среди многих методов производства водорода экологически чистый и высокочистый водород можно получить путем электролиза воды. Однако с точки зрения устойчивости и воздействия на окружающую среду электролиз воды из ПЭМ считался наиболее многообещающим методом для высокоэффективного производства водорода из возобновляемых источников энергии и выделяет только кислород в качестве побочного продукта без каких-либо выбросов углерода. Более того, произведенные водород (H ₂) и кислород (O ₂) непосредственно используются для топливных элементов и промышленных применений.Однако общее расщепление воды приводит к тому, что только 4% мирового промышленного водорода производится путем электролиза воды, в основном из-за экономических проблем. В настоящее время возросшее стремление к производству зеленого водорода увеличило интерес к электролизу воды из PEM. Таким образом, недавно были завершены значительные исследования по разработке экономичных электрокатализаторов для электролиза воды на основе ПЭМ. В этом обзоре мы обсудили недавние разработки в области электролиза воды на основе ПЭМ, включая высокоэффективные и недорогие электрокатализаторы на основе HER и OER, а также решены новые и старые проблемы, связанные с электрокатализаторами и компонентами элементов PEM.Этот обзор будет способствовать дальнейшим усовершенствованиям исследований и дорожной карте, чтобы поддержать разработку водного электролизера PEM как коммерчески осуществимой цели производства водорода.

Ключевые слова

Производство водорода

Электролиз воды PEM

Электрокатализаторы

Реакция выделения водорода (HER)

Реакция выделения кислорода (OER)

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Цитирование статей

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, в том числе системы электролизеров, и недавно объявила, что предоставит свой 5-мегаваттный электролизер 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: протонообменная мембрана (PEM), щелочной и твердый оксид. Эти разные электролизеры работают немного 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 (OH-) 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)

Электролизеры PEM используют протонообменную мембрану, в которой используется твердый полимерный электролит.
Когда ток подается на батарею элементов, вода расщепляется на водород и кислород, и протоны водорода проходят через мембрану, образуя газ h3 на катодной стороне.

Твердооксидные электролизеры (SOEC)

В качестве электролита используется твердый керамический материал
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
работают при гораздо более высоких температурах (выше 500 ° C), чем щелочные электролизеры и электролизеры с PEM (до 80 ° C), и потенциально могут стать намного более эффективными, чем PEM и щелочные электролизеры.

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Есть четыре основных способа коммерциализации электролизеров:

Мощность для мобильности : Водород можно использовать в качестве топлива на заправочных станциях для электромобилей на топливных элементах, таких как автобусы, поезда и автомобили.
Power to Fuel : Используется на нефтеперерабатывающих заводах для удаления серы из ископаемого топлива.
Энергия для промышленности : Используется непосредственно в качестве промышленного газа в сталелитейной промышленности, на заводах по производству листового стекла, полупроводниковой промышленности и т.д. .
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 выработки 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 выхлопных газов в полностью электрические и топливные элементы.

Почему водород — такой хороший вариант для чистой энергии?

Водород открывает возможность для массовых рыночных изменений в энергетической отрасли. Энергетические системы по всему миру претерпевают фундаментальную трансформацию, направленную на снижение выбросов и меньшее негативное воздействие на окружающую среду.

Для уменьшения негативного воздействия изменения климата и декарбонизации электроэнергетики в качестве ключевых ингредиентов для решения проблемы стали использоваться возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия.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 Cummins делает с электролизерами?

Компания Cummins смело вступила в водородную экономику в сентябре 2019 года, приобретя 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:

В электролизере с полимерно-электролитной мембраной (PEM) HyLYZER® используется твердый полимер с ионной проводимостью и он лучше подходит для крупномасштабного производства водорода.
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.

процессов | Бесплатный полнотекстовый | Электролиз щелочной воды с использованием возобновляемых источников энергии: обзор

1. Введение

Водород считается многообещающим энергоносителем для устойчивого будущего, когда он производится с использованием возобновляемых источников энергии [1]. Сегодня менее 4% производства водорода основано на процессах электролиза, из которых основную часть составляет водород как побочный продукт производства хлора. Следовательно, основная доля необходимого водорода зависит от ископаемых путей парового риформинга природного газа [2].Эта ситуация вызвана более высокими производственными затратами на процессы электролиза по сравнению с традиционными ископаемыми источниками из-за высоких затрат на электроэнергию и мешающих законов [3]. Чтобы сократить выбросы CO2 и стать независимыми от ископаемых энергоносителей, в ближайшие несколько десятилетий необходимо значительно увеличить долю водорода, производимого с использованием возобновляемых источников энергии. Таким образом, электролиз воды является ключевой технологией разделения воды на водород и кислород с использованием возобновляемых источников энергии.После сушки и удаления примесей кислорода чистота водорода превышает 99,9%, и водород можно напрямую использовать в следующих процессах или в транспортном секторе [4]. Солнечная и ветровая энергия являются предпочтительными возобновляемыми источниками энергии для производства водорода, поскольку их распространение является наиболее распространенным [5,6]. Альтернативными вариантами являются гидроэнергетика, биомасса и геотермальная энергия, которые часто используются для базовой нагрузки [7]. Основная проблема с использованием возобновляемых источников энергии — это неравномерно распределенная и прерывистая местная доступность [6].При более высокой доле возобновляемой энергии от ветряных турбин или солнечных фотоэлектрических панелей и справедливых затрат на выбросы CO2 производство водорода путем электролиза воды станет более привлекательным. Комбинация электролиза воды с возобновляемой энергией особенно выгодна, поскольку избыточная электрическая энергия может храниться в водороде химическим путем, чтобы уравновесить несоответствие между потреблением энергии и производством [6]. Для крупномасштабных применений водород может храниться в соляных пещерах, резервуарах для хранения или газовой сети [8,9,10,11,12].Меньшие количества водорода также могут храниться в гидридах металлов [13,14]. Для электролиза воды доступны три технологии: электролиз щелочной воды (AEL), электролиз с протонообменной мембраной (или полимерной электролитной мембраной) (PEMEL) и твердый оксид. электролиз (СОЭЛ) [15,16,17,18]. В то время как низкотемпературные технологии, AEL и PEMEL, обе обеспечивают высокий уровень технологической готовности, высокотемпературная технология SOEL все еще находится в стадии разработки [19]. Электролиз щелочной воды использует концентрированный щелок в качестве электролита и требует газонепроницаемого сепаратора, чтобы предотвратить смешивание продуктовых газов.Электроды состоят из неблагородных металлов, таких как никель, с электрокаталитическим покрытием. PEMEL использует увлажненную полимерную мембрану в качестве электролита и благородные металлы, такие как платина и оксид иридия, в качестве электрокатализаторов. Обе технологии работают при температурах от 50 до 80 ° C и допускают рабочее давление до 30 бар. Номинальный КПД обеих технологий составляет около 70% [18,20]. SOEL также известен как высокотемпературный (HTEL) или паровой электролиз, поскольку газообразная вода превращается в водород и кислород при температурах от 700 до 900 ° C.Теоретически КПД дымовой трубы около 100% возможен благодаря положительному термодинамическому влиянию на энергопотребление при более высоких температурах. Однако повышенная потребность в тепле требует подходящего источника отработанного тепла из химической, металлургической или тепловой энергетики для экономичной работы. Более того, агрессивная среда требует дальнейшей разработки материалов [6,20,21]. Как следствие, SOEL обеспечивает только небольшие мощности дымовых труб ниже 10 кВт по сравнению с 6 МВт для AEL и 2 МВт для PEMEL [20].Следовательно, инвестиционные затраты и срок службы определяют, будет ли AEL или PEMEL наиболее подходящей конструкцией системы для крупномасштабного применения. Сегодня инвестиционные затраты на AEL составляют от 800 до 1500 евро, кВт ⁻¹ и для PEMEL от 1400 до 2100 евро, кВт ⁻¹. Кроме того, срок службы электролизеров со щелочной водой выше, а годовые затраты на техническое обслуживание ниже по сравнению с системой PEMEL [15,20,22,23]. Часто системы PEMEL предпочтительнее для динамической работы из-за короткого времени запуска и широкого диапазона гибкости нагрузки.Недостатки AEL постепенно преодолеваются дальнейшими разработками [24]. Поэтому в данном обзоре основное внимание уделяется электролизу щелочной воды с использованием возобновляемых источников энергии. Для обеспечения безопасности и высокой эффективности электролизеры на щелочной воде должны быть оптимизированы для динамической работы. Следовательно, необходимо проанализировать процесс, чтобы выяснить, как динамика повлияет на производительность системы и какие аспекты следует учитывать, когда вместо постоянной нагрузки используются колеблющиеся возобновляемые источники энергии [25]. Таким образом, этот вклад показывает описания моделей для электролиза щелочной воды, фотоэлектрических панелей и ветряных турбин, чтобы выявить ограничения при объединении всех компонентов в водородную энергетическую систему.Кроме того, теоретические модели могут помочь решить существующие проблемы с использованием интеллектуального проектирования системы и подходящих операционных стратегий. Это исследование в основном содержит литературу, которая была получена с ключевыми словами щелочной электролизер (или электролизер или электролиз) в сочетании с одним из следующих слов: возобновляемый, устойчивый, экологичный, динамичный, колебательный, прерывистый, солнечный, фотоэлектрический, ветровой и газовый. Для более широкого обзора также включена дополнительная литература. На рисунке 1 показано количество ежегодных публикаций, перечисленных в базе данных Web of Science по заданным ключевым словам с 1990 по 2019 год.Кроме того, ключевое слово щелочной заменено другими технологиями электролиза воды, чтобы показать долю публикаций, посвященных конкретным технологиям [26]. Примерно в 2010 году количество ежегодных публикаций начало неуклонно расти из-за дискуссии об изменении энергетики, особенно в Германии и других европейских странах [9,27]. Кроме того, эта тема часто обсуждается независимо от технологии, поскольку количество публикаций, посвященных конкретным технологиям, невелико по сравнению с публикациями, посвященными неуказанным технологиям электролиза воды.В то время как низкотемпературные технологии, AEL и PEMEL, показывают равную долю публикаций по конкретным технологиям, высокотемпературная технология SOEL упоминается меньше. Это распределение отражает недавние размышления о том, какая технология может быть предпочтительной для устойчивого производства водорода. В частности, щелочной электролиз воды считается наиболее надежным методом крупномасштабного производства водорода [5,21].

2. Электролиз щелочной воды

Электролиз щелочной воды используется для разделения воды на водород и кислород с использованием электроэнергии.Химические реакции приведены в уравнениях (1) — (3). На катоде молекулы воды восстанавливаются электронами до водорода и отрицательно заряженных гидроксид-ионов. На аноде ионы гидроксида окисляются до кислорода и воды, высвобождая электроны. В целом молекула воды реагирует на водород и кислород в соотношении 2: 1.

Катод: 2h3O (l) + 2e- → h3 (г) + 2OH- (водн.)

(1)

Анод: 2OH- (водн.) → 0,5O2 (г) + h3O (ж) + 2e-

(2)

Общая реакция: h3O (l) → h3 (g) +0.5O2 (г)

(3)

Требуемое напряжение ячейки для этой электрохимической реакции может быть определено термодинамикой. Энтальпия свободной реакции ΔRG в (4) может быть рассчитана с помощью энтальпии реакции ΔRH, температуры T и энтропии реакции ΔRS. Напряжение обратимой ячейки Urev в (5) определяется отношением энтальпии свободной реакции ΔRG к произведению числа обмененных электронов z = 2 и константы Фарадея F (96 485 Смоль ^-1) [28]. При температуре 25 ° C и давлении окружающей среды 1 бар (стандартные условия) энтальпия свободной реакции для реакции расщепления воды составляет ΔRG = 237 кДжмоль-1, что приводит к обратимому напряжению ячейки Urev = -1.23V. Поскольку энтальпия свободной реакции положительна при стандартных условиях, расщепление воды не является спонтанной реакцией [28]. Из-за необратимости фактическое напряжение ячейки должно быть выше обратимого напряжения ячейки для реакции расщепления воды. Термонейтральное напряжение Uth в уравнении (6) зависит от энтальпии реакции ΔRH, которая складывается из энтальпии свободной реакции ΔRG и необратимых тепловых потерь T · ΔRS. При стандартных условиях энтальпия реакции электролиза воды составляет ΔRH = 286 кДжмоль-1.Следовательно, термонейтральное напряжение Uth = −1,48 В [28].

4. Конструкция электролизера и напряжение электролизера

Конструкция электролизной батареи зависит от производителя; однако можно наблюдать некоторые общие черты. Два варианта конструкции ячеек показаны на рис. 3. В более ранних электролизерах с щелочной водой использовалась обычная сборка с определенным расстоянием между обоими электродами. Позже эта концепция была заменена узлом с нулевым зазором, в котором электроды прижимаются непосредственно к сепаратору, чтобы минимизировать омические потери из-за электролита.Пористые материалы, такие как Zirfon ^™ Perl UTP 500 (AGFA) или плотные анионообменные мембраны, могут использоваться в качестве разделителя [33,34,35,36,37]. Во время работы требуемое напряжение ячейки всегда выше, чем у обратимой ячейки напряжение из-за различных эффектов. Расчетный профиль напряжения ячейки показан на рисунке 4. Помимо омических потерь, I · Rohm, существуют перенапряжения активации электродов, ηact. На омическое сопротивление конструкции ячейки влияют электронная проводимость материала электрода, удельная проводимость электролита, ионная проводимость материала сепаратора и эффекты пузырьков газа.Конструкция с нулевым зазором пытается устранить потери электролита за счет минимизации расстояния между электродами. Между обоими электродами все еще есть минимальный зазор, который может увеличить напряжение ячейки. Активационные перенапряжения определяются материалами электродов. Никель является наиболее часто используемым электродным материалом, но он обеспечивает очень высокие перенапряжения для реакций выделения кислорода и водорода [41,42,43,44]. Следовательно, к электродам добавляются электрокаталитические материалы. Железо является экономичным катализатором реакции выделения кислорода [41,42,45].Молибден снижает перенапряжение для выделения водорода на катоде [44,46,47]. Несколько авторов предложили корреляции для моделирования напряжения ячейки. Уравнение (7) учитывает рабочую температуру ϑ и плотность тока j, описывая зависимости с эмпирическими параметрами. В то время как параметры ri отражают омические потери, s и ti обозначают активационные перенапряжения реакций выделения водорода и кислорода [28].

Ucell = Urev + r1 + r2 · ϑ · j + s · logt1 + t2ϑ + t3ϑ2 · j + 1

(7)

Эта корреляция может быть расширена за счет влияния рабочего давления p в (8) путем добавления эмпирических параметров di, которые определяют дополнительные потери из-за работы под давлением [39].В общем, обратимое напряжение ячейки увеличивается с давлением; однако омическое сопротивление, вызванное пузырьками газа, уменьшается с уменьшением диаметра пузырька. Следовательно, оба эффекта уравновешивают друг друга, и наблюдаются лишь небольшие различия [48].

Ucell = Urev + r1 + d1 + r2 · ϑ + d2 · p · j + s · logt1 + t2ϑ + t3ϑ2 · j + 1

(8)

Корреляции (7) и (8) являются эмпирическими и поэтому действительны только для реальной системы, к которой они настроены. Параметры корреляции и подходящее уравнение для обратимого напряжения элемента в атмосферных условиях можно найти в Приложении A в Таблице A1 и в уравнении (A1).Другие авторы предложили физически разумные модели, основанные на реальных размерах и свойствах системы, а не на эмпирических корреляциях. Примером такого подхода является уравнение (9), в котором члены разбиты на экспериментально определяемые части [49].

Ucell = Urev + ηactc + ηacta + I · Rc + Ra + Rele + Rmem

(9)

Напряжение ячейки Ucell рассчитывается с помощью обратимого напряжения Urev, активационных перенапряжений ηact и омических сопротивлений. В то время как Rc и Ra представляют собой обратную электронную проводимость материалов электродов, Rele обозначает омические потери, вызванные проводимостью электролита.Дополнительно учитывается омическое сопротивление Rmem материала сепаратора. Активационные перенапряжения ηact можно рассчитать с помощью уравнения Батлера – Фольмера. В большинстве случаев упрощенного уравнения Тафеля достаточно для описания возникающих перенапряжений [40]. Требуемый тафелевский наклон и плотность тока обмена могут быть извлечены из экспериментальных данных. Следовательно, эти параметры действительны только для реальной конструкции системы; однако при необходимости их можно легко заменить другими данными.Поскольку омические сопротивления электродов (Rc и Ra) зависят только от электронной проводимости и размеров электродов, оба значения известны. В большинстве случаев омическое сопротивление электрода сравнительно мало, и им можно пренебречь. Сопротивление электролита Rele определяется удельной проводимостью электролита и конструкцией ячейки. В то время как электролитный зазор минимален в конструкциях с нулевым зазором, обычные установки поддерживают определенное расстояние между обоими электродами. Поскольку на удельную проводимость зазора электролита влияют пузырьки газа, существует оптимальное расстояние между электродами для обычных конструкций [50].Если расстояние между электродами слишком мало, пузырьки газа скапливаются в зазоре и снижают проводимость. С увеличением расстояния отрыв пузырьков усиливается и удельная проводимость увеличивается. Это компромисс между небольшим зазором электролита — поскольку омическое сопротивление линейно увеличивается с этим параметром — и лучшей проводимостью пространства между обоими электродами. Помимо уменьшения проводимости электролита с увеличением количества пузырьков газа, активная поверхность электрода может быть заблокирована газообразными соединениями, что приводит к дополнительным потерям [49].Поскольку это явление зависит от конструкции ячейки и концепции работы, его трудно описать должным образом. Поэтому им часто пренебрегают или используют эмпирические корреляции, относящиеся к задержке газа [49]. Кроме того, установленный материал сепаратора также имеет значительные омические потери. Хотя часто используется пористый сепаратор Zirfon ^™ Perl UTP 500, многообещающей альтернативой являются анионообменные мембраны. Для материалов на основе Zirfon ^™ доступны экспериментальные данные сопротивления при фиксированной концентрации электролита для различных температур [51].Наиболее часто используемый электролит для щелочного электролиза воды представляет собой водный раствор гидроксида калия (КОН) с содержанием КОН от 20 до 30 мас.%, Так как удельная проводимость оптимальна в типичном диапазоне температур от 50 до 80 ° C [25]. Более дешевой альтернативой может быть разбавленный раствор гидроксида натрия (NaOH), который имеет более низкую проводимость [52]. Расчетные удельные электропроводности электролита для обоих растворов электролита при разных температурах показаны на рисунке 5. В то время как KOH обеспечивает удельную проводимость около 95 Sm ^-1 при 50 ° C, NaOH достигает значения около 65 Sm ^-1.Аналогичный эффект наблюдается при температуре 25 ° C. Электропроводность КОН примерно на 40-50% выше, чем проводимость раствора NaOH при оптимальном массовом процентном содержании. Другим аспектом является растворимость продуктовых газов внутри электролита, так как это влияет на чистоту получаемых продуктовых газов. В общем, растворимость газа снижается с увеличением концентрации электролита из-за поведения высаливания [53]. NaOH также показывает немного более высокий высаливающий эффект, чем KOH.Следовательно, растворимость газообразного продукта выше в растворе КОН [54,55,56]. Другой подход заключается в использовании ионных жидкостей (ИЖ) в качестве электролита или в качестве добавки благодаря их замечательным свойствам [5,6,21] . Ионные жидкости — это органические вещества, находящиеся в жидком состоянии при комнатной температуре и обладающие электропроводностью [58]. Незначительное давление пара, негорючесть и термическая стабильность являются многообещающими аргументами в пользу их использования при электролизе воды. Кроме того, ИЖ можно использовать в широком электрохимическом окне [59].Абсорбция и разделение газов — дополнительная область применения [60,61]. Однако токсичность ИЖ — это текущая область исследований, а вязкость сравнительно высока, что следует принимать во внимание перед любым широкомасштабным внедрением [6,58,59]. Помимо обеспечения высокоэффективного электролиза воды при низких температурах, ИЖ химически инертны и поэтому не требуют дорогостоящих электродных материалов [62].

5. Чистота газа

Чистота газа — важный критерий щелочного электролиза воды.В то время как получаемый водород обычно имеет чистоту выше 99,9 об.% (Без дополнительной очистки), чистота газа по кислороду находится в диапазоне от 99,0 до 99,5 об.% [48]. Поскольку оба газообразных продукта могут образовывать взрывоопасные смеси в диапазоне от примерно 4 до 96 об.% Загрязнения посторонними газами, технические пределы безопасности для аварийного отключения всей системы электролизера находятся на уровне 2 об.% [31,63] . Следовательно, содержание примеси в газе должно быть ниже этого предела во время работы для обеспечения непрерывного производства.Экспериментально определенные примеси анодного газа для электролиза щелочной воды представлены на рисунке 6 для различных режимов работы. Плотности тока находятся в диапазоне от 0,05 до 0,7 А · см ^-2, а давление в системе — от 1 до 20 бар [64]. В то время как примеси газа с разделенными электролитными циклами составляют менее 0,7 об.% Для всех испытанных плотностей тока. и уровней давления, смешение циклов электролита значительно увеличивает примеси газа. Кроме того, можно увидеть два сходства.Примесь газа уменьшается с увеличением плотности тока и увеличивается при более высоких уровнях давления. Оба эффекта физически объяснимы. В то время как поток загрязнения остается постоянным при изменении плотности тока, количество добываемого газа становится меньше в линейной зависимости. Следовательно, при более высокой плотности тока загрязнение более разбавлено, чем при более низкой плотности тока [32,64]. Как следствие, работа в диапазоне частичной нагрузки более критична из-за более высокой примеси газа. Количество растворенного газообразного продукта увеличивается с увеличением давления; таким образом, доступны высокие градиенты концентрации для диффузии через материал сепаратора, и больше растворенного постороннего газа достигает другой половины ячейки при смешивании [64].Однако работа при слегка повышенном давлении является благоприятной, поскольку дорогостоящего первого уровня механического сжатия можно избежать путем прямого сжатия внутри системы электролизера [65]. При циклах смешанного электролита примеси газа достигают критических значений даже при более высоких плотностях тока во время работы под давлением. В то время как при атмосферном давлении примесь газа присутствует только при плотности тока 0,05 А · см ^-2, что немного выше безопасного предела в 2 об.% H ₂ в O ₂, этот предел достигается уже при 0 .5 А · см ⁻² для давления в системе 10 бар. При 20 бар невозможно измерить достаточную чистоту газа, так как даже плотность тока 0,7 А · см ^-2 приводит к примеси газа 2,5 об.%.

7. Возобновляемая энергия

Сочетание электролиза щелочной воды с возобновляемой энергией необходимо для устойчивого производства водорода без значительных выбросов углекислого газа. В то время как солнечная и ветровая энергия часто отдается предпочтение из-за их широкой доступности, другие возобновляемые источники энергии, такие как гидроэнергетика, биомасса и геотермальная энергия, часто используются для базовой нагрузки [7].Прямое использование возобновляемой энергии в энергосистеме затруднено из-за несоответствия между спросом на энергию и производством и ограниченными возможностями хранения электроэнергии. Следовательно, избыточную электрическую энергию следует химически хранить в водороде для дальнейшего использования [6]. Из-за неустойчивого и прерывистого поведения солнечной и ветровой энергии электролизеры на щелочной воде должны быть адаптированы для динамической работы. Для оценки требований можно использовать местные метеорологические данные для извлечения амплитуд и частот колебаний.Типичные временные профили солнечной радиации и скорости ветра показаны на рисунке 7. Данные были измерены метеорологической станцией Клаустальского технологического университета на крыше здания университета. В то время как скорость ветра показывает среднее значение около 3,8 м / с ⁻¹, значительная солнечная радиация доступна только в дневное время. Следовательно, среднее значение за весь день составляет 233 Вт · м ⁻² для солнечного дня и всего 29 Вт · м ⁻² для облачного дня.Объемный поток производимого водорода непосредственно соответствует профилю возобновляемой энергии, используемому для работы [70]. Для чистоты газа заметна лишь небольшая задержка, которая определяется объемом системы [71]. Благодаря возможности прямого соединения электролизера воды и фотоэлектрических панелей, эта технология очень подходит для производства возобновляемого водорода [29,72,73]. Поскольку фотоэлектрические панели требуют высоких инвестиционных затрат, энергия ветра часто используется для крупномасштабного производства водорода. По сравнению с фотоэлектрической энергией, энергия ветра показывает более высокую степень колебаний и очень прерывистая.Следовательно, динамическая работа электролизеров со щелочной водой является более сложной задачей [4]. Следовательно, динамическое поведение электролизеров со щелочной водой может быть использовано для разработки подходящих конструкций систем и для безопасной и эффективной эксплуатации существующих систем. Поскольку измерения солнечной радиации и скорости ветра часто доступны для данного местоположения, теоретически доступная возобновляемая энергия может быть рассчитана и использована в качестве входных данных при проектировании системы. Существуют разные подходы к расчету солнечной фотоэлектрической энергии и мощности ветряных турбин.В то время как вольт-амперные характеристики фотоэлектрических панелей могут быть выражены как функция данных производителя и солнечной радиации, мощность ветряных турбин — это часть максимальной доступной энергии ветра, которая определяется скоростью ветра и коэффициентом полезного действия [72 , 74].

7.1. Solar Photovoltaic Power

Поведение фотоэлектрических панелей можно описать с помощью одно- и двухдиодных моделей различной степени сложности. Часто решение должно быть получено итеративно или численными методами, когда используются очень подробные модели [75,76].Простые модели с аналитическими решениями — тема недавних исследований, так как для определения характеристик в режиме онлайн и оптимизации существующих систем может потребоваться короткое время обработки [75]. На рисунке 8 показаны возможности соединения электролизера щелочной воды и солнечных фотоэлектрических панелей. Дополнительных потерь в трансформаторе постоянного / постоянного тока можно избежать, если реализовать прямое соединение систем. В противном случае преобразование обеспечивает соответствие обеих систем косвенной связью [73,77,78].Когда должна быть реализована прямая связь обеих систем, возможные рабочие точки могут быть определены по пересечению кривых вольт-амперной характеристики. Типичная вольт-амперная характеристика электролизера со щелочной водой дается формулой (8). Результирующий ток фотоэлектрического элемента IPV при различных уровнях солнечного излучения может быть описан формулой (10) с помощью подходящей модели с одним диодом как функция напряжения UPV [29,72,73]. Следовательно, для расчета фототока Iph, обратного тока насыщения Is и теплового напряжения UT требуются конкретные данные от фотоэлектрической (PV) панели и условий окружающей среды.Кроме того, должны быть доступны последовательное сопротивление Rs и параллельное сопротивление Rp фотоэлектрической панели.

IPV = Iph − Is · expUPV + IPV · RsUT − 1 − UPV + IPV · RsRp

(10)

Фототок Iph определен в (11), который показывает линейную зависимость от солнечного излучения Esun, поглощаемого фотоэлектрическим элементом. Более высокая температура ячейки Tc увеличивает фототок.

Iph = 0,003 м2V − 1 + 10−7m2V − 1K − 1 · Tc · Esun

(11)

Обратный ток насыщения Is можно рассчитать по (12) с помощью тока короткого замыкания Isc, напряжения открытого элемента Uoc и теплового напряжения UT.В то время как ток короткого замыкания и напряжение открытого элемента предоставляются производителем, тепловое напряжение зависит от физических свойств. Уравнение для теплового напряжения приведено в (13), которое основано на постоянной Больцмана kB (1,3806 · 10−23JK − 1) и заряде электрона e (1,60219 · 10−19 Кл) [72]. Кроме того, требуется количество последовательно соединенных ячеек, нс и температура ячейки. Кроме того, фактор неидеальности m содержит любые отклонения от теоретического поведения.В дополнение к этим уравнениям, расчет результирующего тока фотоэлектрического элемента требует знания последовательного (Rs) и параллельного (Rp) сопротивления системы. При добавлении параллельных фотоэлектрических элементов ток умножается на количество параллельных путей np. Подходящие параметры существующей установки фотоэлектрического элемента приведены в таблице 1. Для этого примерного расчета предполагается постоянная температура фотоэлектрического элемента. В противном случае температура элемента увеличивается с поглощенным солнечным излучением.Хотя простые линейные подходы уже приводят к хорошему согласию с экспериментальными данными, полный энергетический баланс — лучший способ точно определить температуру [29,72]. Результаты примерного расчета показаны на рисунке 9. Вольт-амперные характеристики приведены для различных уровней солнечного излучения от 200 до 1000 Вт · м ^-2 в сочетании с типичной кривой поляризации электролизера со щелочной водой (площадь электродов 10 см ²) из (8) на рисунке 9a.Кривые мощность – напряжение для фотоэлектрического элемента показаны на рисунке 9b. Точка максимальной мощности (MPP) для каждого уровня излучения отмечена точкой на обеих диаграммах. На рисунке 9a характеристики электролизера со щелочной водой отклоняются от кривой MPP. Следовательно, фотоэлектрический элемент не может обеспечить максимальную мощность, и общий КПД снижается. Следовательно, обе системы должны быть оптимизированы до тех пор, пока электролизер щелочной воды не будет работать близко к максимальной выходной мощности [73,80]. Альтернативой может быть косвенное соединение обеих систем с интеграцией преобразователя постоянного тока в постоянный, что также подразумевает потери с КПД около 90% [81,82].

7.2. Энергия ветра

Поскольку энергия от фотоэлементов доступна только в дневное время, энергия ветра является еще одним важным источником энергии для производства водорода из возобновляемых источников. Принципиальная схема показана на рисунке 10. Для реализации обычных ветряных турбин необходим преобразователь переменного тока в постоянный. Эффективность преобразования переменного тока в постоянный также составляет примерно 90% [82,83]. Для расчета мощности ветряной турбины необходимо знать точную скорость ветра на высоте ротора турбины.Часто скорость ветра измеряется на крышах домов или в специальных измерительных установках с определенной высотой около 10 м, что значительно ниже, чем высота ветряной турбины, около 100 м [84]. Следовательно, измеренные данные следует скорректировать до желаемой высоты по (14).

vwind = vwind, ссылка · lnzwindz0lnzwind, refz0

(14)

Скорость ветра vwind на высоте zwind может быть определена из измеренной скорости ветра vwind, ref на высоте zwind, ref в сочетании с неровностью местности z0 [48].Чтобы получить выходную мощность ветровой турбины Pturbine, сначала необходимо рассчитать теоретическую ветровую мощность Pwind с использованием (15). Следовательно, необходимы плотность воздуха ρ (от 1,22 до 1,3 кг м ⁻³), площадь, охватываемая лопастями A ротора, и скорость ветра [74,85].

Pwind = 12 · ρ · A · vwind3

(15)

Максимальная энергия ветра не может быть полностью преобразована в энергию ветряной турбины. Это обстоятельство учитывается реализацией КПД CP, который снижает максимально достижимую выходную мощность.Фактическая мощность ветровой турбины получается из произведения энергии ветра на коэффициент производительности в (16). Определение правильного коэффициента производительности само по себе является полноценной темой исследования, которая состоит из эмпирических корреляций и моделирования вычислительной гидродинамики (CFD). исследования. Часто экспериментальные данные используются для согласования корреляций с измерениями [74]. Пример уравнения для коэффициента полезного действия приведен в (17) [74,79].

Cp = 0,22 · 116λi − 0,4 · β − 5 · exp − 12.5λi

(17)

Следовательно, угол наклона лопаток турбины β должен быть определен, а коэффициент лобовой скорости λ должен быть рассчитан в (18) на основе радиуса R лопатки турбины, скорости вращения ω и скорости ветра [74]. КПД также требуется параметр λi, который описывается формулой (19) на основе передаточного числа острия лезвия и угла наклона лопасти [74].

1λi = 1λ + 0,08 · β − 0,035β3 + 1

(19)

Для радиуса лезвия значение 46.Предполагается, что длина лопасти 5 м является типичной для ветряной турбины с номинальной мощностью 2 МВт [74]. На рисунке 11 показаны результаты расчета коэффициента полезного действия, зависящего от передаточного числа концевых скоростей и мощности турбины при различных скоростях ветра. Коэффициент полезного действия обычных ветряных турбин ограничен Cp = 0,593 [74]. В этом примере максимальный коэффициент полезного действия приблизительно Cp = 0,450 достигается для угла наклона лопасти β = 0 °. С увеличением угла наклона максимальный коэффициент полезного действия уменьшается и смещается в сторону меньших передаточных чисел наконечника.Для расчета мощности турбины на рисунке 11b предполагается угол наклона β = 6 °. С увеличением скорости ветра значение точки максимальной мощности (MPP) становится выше и смещается в сторону более высоких скоростей вращения. Номинальная скорость ветра этой типовой ветряной турбины составляет 11 м с ⁻¹ со скоростью вращения от 6 до 17 мин ⁻¹. Скорость ветра при включении составляет 3 м с ⁻¹, а скорость ветра при выключении составляет 22 м с ⁻¹ [74]. По сравнению с энергетическими характеристиками фотоэлектрических панелей, кривая поляризации электролизеров на щелочной воде не может быть напрямую оптимизирована в сторону траектории MPP, поскольку оптимальная рабочая точка сильно зависит от конструкции ветряной турбины и погодных условий.Следовательно, эффективный преобразователь переменного тока в постоянный — лучший вариант для поддержания эффективной работы электролизера со щелочной водой [82].

8. Водородная энергетическая система и стабилизация энергосистемы

Примерная технологическая схема водородной энергетической системы представлена на рисунке 12. Фотоэлектрические панели и ветряные турбины подключены с соответствующими преобразователями к шине постоянного тока, от которой питаются электролизеры щелочной воды. Произведенный водород можно хранить для дальнейшего использования в топливных элементах.Для повышения эффективности топливных элементов вместо воздуха можно использовать производимый кислород. Следовательно, должен быть доступен дополнительный резервуар для хранения, что влечет за собой дополнительные расходы [86]. Топливные элементы также подключены к шине постоянного тока, и мощность может использоваться электросетью с преобразователями постоянного / переменного тока. При более низких энергозатратах водород можно производить и превращать обратно в энергию, когда это необходимо. Поскольку обычные электролизеры с щелочной водой предназначены для работы в постоянных условиях, возникающие колебания могут подавляться дополнительными устройствами накопления энергии, такими как батареи, суперконденсаторы или маховики [25,28,82].Когда имеется избыток энергии, этот накопитель энергии можно зарядить, чтобы он был полностью доступен при необходимости. Величина демпфирования ограничена определенной степенью колебаний, так как количество накопленной энергии также ограничено мощностью всех установленных устройств. Кроме того, полученный водород можно также использовать для декарбонизации промышленных процессов или в качестве топлива в транспортном секторе [87,88,89]. Для повышения общей эффективности некоторыми преобразователями постоянного тока в постоянный можно пренебречь из-за оптимизации конструкции системы за счет снижения гибкости системы.Кроме того, когда электролизеры со щелочной водой могут работать в динамических условиях, дополнительные устройства хранения энергии не требуются или, по крайней мере, количество таких устройств может быть уменьшено. Производителям электролизеров еще предстоит решить некоторые проблемы, прежде чем эта возможность станет доступной. С увеличением доли возобновляемых источников энергии в энергосистеме трудно поддерживать постоянную частоту сети. Такие водородные энергетические системы или электролизеры с щелочной водой могут использоваться для стабилизации промышленной частоты путем гашения колебаний.Дополнительным преимуществом было бы сокращение резерва обычного прядения, что снижает затраты и выбросы CO2 [87,90]. Прогностический контроль может использоваться для стабильной и эффективной работы. Щелочные электролизеры под давлением больше подходят для гашения быстрых колебаний, тогда как атмосферные устройства могут справляться с медленными колебаниями [87].

10. Выводы

Сочетание электролиза щелочной воды и возобновляемых источников энергии для устойчивого производства водорода является важным шагом на пути к декарбонизации промышленных процессов и транспортного сектора [87,88,89].Чтобы определить наиболее важные ограничения и предложить подходящие подходы к решению, необходимо полностью понять технологии [25]. В то время как процесс щелочного электролиза воды может определяться вольт-амперными характеристиками и образующейся примесью газа, фотоэлектрические панели и ветряные турбины должны работать на максимальной мощности [73,74,79]. Следовательно, необходимо знать влияющие параметры. Существуют разные модельные подходы, из которых следует выбрать наиболее подходящий.Хотя эмпирические корреляции часто действительны только для конкретной экспериментальной установки, физически разумные модели могут использоваться в более общем плане для разработки новых решений. Для щелочного электролиза воды доступно множество экспериментальных и теоретических данных для расчета и анализа напряжения ячейки в рабочих условиях. Поскольку фактическая конструкция системы и расположение ячеек различаются для каждого электролизера, определенные параметры должны быть определены экспериментально, чтобы использовать предложенные модели для другой системы.В основном эта проблема существует для электродных композиций и разделительных материалов. Для математического описания чистоты газа по водороду и кислороду в настоящее время доступны только модели и корреляции на эмпирической основе из-за большого количества влияющих переменных [31,32]. Поскольку примесь газа в основном определяет доступность системы электролизера со щелочной водой, необходимы дополнительные исследования для разработки физических моделей. Следует проанализировать динамическое поведение системы, поскольку оптимизированные стратегии динамической работы могут быть полезны для общей эффективности системы.Для описания вольт-амперных характеристик фотоэлектрических панелей доступно множество моделей разного уровня сложности. Большинство моделей основано на физических принципах и данных производителя [75]. Таким образом, возможно правильное моделирование для разных систем. Преобразование энергии ветряными турбинами можно описать свойствами системы и подходящими соотношениями для коэффициента полезного действия [74]. Поскольку на эту переменную влияют многие параметры, включая конструкцию лопаток турбины, корреляцию следует использовать только для очень похожих ветряных турбин, либо параметры должны определяться экспериментально или путем моделирования.В заключение, существуют соответствующие модели для всех компонентов водородной энергетической системы. Однако некоторые описания нуждаются в дальнейшем улучшении, чтобы их можно было применить к множеству различных конструкций систем. Обладая этими знаниями и экспериментальными исследованиями, многие исследователи уже изучили ограничения щелочных водных электролизеров на возобновляемых источниках энергии [48,79,82]. Основная перспектива заключается в увеличении времени работы за счет интеллектуальных систем и выгодных операционных концепций.В то время как внедрение обычных устройств накопления энергии для гашения динамики является первым логическим шагом, электролизеры с щелочной водой должны иметь возможность обрабатывать всю динамику напрямую, чтобы снизить затраты и повысить эффективность [25]. Поскольку производство водорода из ископаемых энергоносителей дешевле, чем получение водорода из процессов электролиза, только оптимизированные системы с использованием избыточной возобновляемой энергии могут быть конкурентоспособными.

Разделение воды на солнечной энергии с помощью фотоэлектрического электролиза с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород более 30%

Metz, A.и другие. Международная технологическая дорожная карта для фотоэлектрических систем (ITRPV): результаты 2014 г., редакция 1. http://itrpv.net/ (2015).

Льюис, Н. С. На пути к экономичному использованию солнечной энергии. Наука 315 , 798–801 (2007).

ADS CAS Статья Google ученый

Аббаси Т. и Аббаси С. «Возобновляемый» водород: перспективы и проблемы. Обновить. Устойчивая энергетика Ред. 15 , 3034–3040 (2011).

Артикул Google ученый

Балат М. Потенциальное значение водорода как будущего решения экологических и транспортных проблем. Внутр. J. Hydrogen Energy 33 , 4013-4029 (2008).

CAS Статья Google ученый

Новотны Дж., Соррелл К. К., Шеппард Л. Р. и Бак Т. Солнечный водород: экологически безопасное топливо будущего. Внутр. J. Hydrogen Energy 30 , 521–544 (2005).

CAS Статья Google ученый

Turner, J. et al. Производство возобновляемого водорода. Внутр. J. Energy Res. 32 , 379–407 (2008).

CAS Статья Google ученый

Walter, M. G. et al. Солнечные вододелительные элементы. Chem. Ред. 110 , 6446–6473 (2010).

CAS Статья Google ученый

Йилмаз Ф., Балта М. Т. и Селбаш Р. Обзор методов производства водорода на основе солнечной энергии. Обновить. Устойчивая энергетика Ред. 56 , 171–178 (2016).

CAS Статья Google ученый

Рут, М. и Джозек, Ф. Расчет пороговой стоимости водорода Министерство энергетики США (2011).

Миллер, Э., Эйнскау, К. и Талапатра, А. Состояние производства водорода 2006-2013 гг. Министерство энергетики США (2014).

Холладей, Дж. Д., Ху, Дж., Кинг, Д. Л. и Ван, Ю. Обзор технологий производства водорода. Catal. Сегодня 139 , 244–260 (2009).

CAS Статья Google ученый

Bonke, S. A., Wiechen, M., Макфарлейн, Д. Р. и Спичча, Л. Возобновляемые виды топлива из концентрированной солнечной энергии: к практическому искусственному фотосинтезу. Energy Environ. Sci. 8 , 2791–2796 (2015).

CAS Статья Google ученый

Pinaud, B.A. et al. Технико-экономическая целесообразность централизованного производства солнечного водорода методами фотокатализа и фотоэлектрохимии. Energy Environ. Sci. 6 , 1983–2002 (2013).

CAS Статья Google ученый

Dumortier, M., Tembhurne, S. & Haussener, S. Целостное руководство по проектированию солнечного водорода с помощью фотоэлектрохимических методов. Energy Environ. Sci. 8 , 3614–3628 (2015).

CAS Статья Google ученый

Агер, Дж. У., Шанер, М., Вальчак К., Шарп И. Д. и Ардо С. Экспериментальные демонстрации спонтанного фотоэлектрохимического расщепления воды под действием солнечной энергии. Energy Environ. Sci. 8 , 2811–2824 (2015).

CAS Статья Google ученый

Хаселев О. и Тернер Дж. А. Монолитное фотоэлектрическо-фотоэлектрохимическое устройство для производства водорода путем разделения воды. Science 280 , 425–427 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

Болтон, Дж. Р., Стриклер, С. Дж. И Коннолли, Дж. С. Ограничение и достижимая эффективность солнечного фотолиза воды. Nature 316 , 495–500 (1985).

ADS CAS Статья Google ученый

Ху, С., Сян, К., Хаусенер, С., Бергер, А. Д. и Льюис, Н. С. Анализ оптимальных запрещенных зон светопоглотителей в интегрированных тандемных фотоэлектрохимических системах разделения воды. Energy Environ. Sci. 6 , 2984–2993 (2013).

CAS Статья Google ученый

Рошело, Р. Э. и Миллер, Э. Л. Фотоэлектрохимическое производство водорода: технический анализ потерь. Внутр. J. Hydrogen Energy 22 , 771–782 (1997).

CAS Статья Google ученый

Зейтц, Л.С. и др.Моделирование практических пределов эффективности фотоэлектрохимического расщепления воды на основе современного состояния исследований материалов. ChemSusChem. 7 , 1372–1385 (2014).

CAS Статья Google ученый

Айерс, К. Э. и др. Исследования продвигаются в направлении недорогого и высокоэффективного электролиза ПЭМ. ECS Transact. 33 , 3–15 (2010).

CAS Статья Google ученый

Кармо, М., Фриц, Д. Л., Мерж, Дж. И Столтен, Д. Всесторонний обзор электролиза воды на основе ПЭМ. Внутр. J. Hydrogen Energy 38 , 4901–4934 (2013).

CAS Статья Google ученый

Fujii, K. et al. Характеристики генерации водорода при расщеплении воды электрохимической ячейкой с полимерным электролитом, непосредственно связанной с концентрированной фотоэлектрической ячейкой. Внутр. J. Hydrogen Energy 38 , 14424–14432 (2013).

CAS Статья Google ученый

Накамура А. и др. Эффективность преобразования солнечной энергии в водородную — 24,4% за счет объединения фотоэлектрических модулей концентратора и электрохимических элементов. Заявл. Phys. Экспресс 8 , 107101 (2015).

ADS Статья Google ученый

Пехарц, Г., Димрот, Ф. и Виттштадт, У. Производство водорода на солнечной энергии путем разделения воды с эффективностью преобразования 18%. Внутр. J. Hydrogen Energy 32 , 3248–3252 (2007).

CAS Статья Google ученый

Licht, S. et al. Эффективное расщепление солнечной воды на примере фотоэлектролиза AlGaAs / Si, катализируемого RuO2. J. Phys. Chem. B 104 , 8920–8924 (2000).

CAS Статья Google ученый

Грин, М.А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Э. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 47). Прог. Фотовольт. Res. Прил. 24 , 3–11 (2016).

Артикул Google ученый

Де Вос, А. Детальный баланс предела эффективности тандемных солнечных элементов. J. Phys. D Прил. Phys. 13 , 839 (1980).

ADS Статья Google ученый

Ли, Дж.И Ву, Н. Фотокатализаторы на основе полупроводников и фотоэлектрохимические элементы для производства солнечного топлива: обзор. Catal. Sci. Technol. 5 , 1360–1384 (2015).

CAS Статья Google ученый

Бак Т., Новотны Дж., Рекас М. и Соррелл К. С. Фотоэлектрохимическое получение водорода из воды с использованием солнечной энергии. Аспекты, связанные с материалами. Внутр. J. Hydrogen Energy 27 , 991–1022 (2002).

CAS Статья Google ученый

Sabnis, V., Yuen, H. & Wiemer, M. Высокоэффективные многопереходные солнечные элементы, использующие разбавленные нитриды. AIP Conf. Proc. 1477 , 14–19 (2012).

ADS CAS Статья Google ученый

Остервальд, К. Перевод измерений производительности устройства в эталонные условия. Солнечные элементы 18 , 269–279 (1986).

CAS Статья Google ученый

Osterwald, C., Wanlass, M., Moriarty, T., Steiner, M. & Emergy, K. in IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC) 2616Denver (2014).

Chen, Z. et al. Ускорение разработки материалов для фотоэлектрохимического производства водорода: стандарты для методов, определений и протоколов отчетности. J. Mater. Res. 25 , 3–16 (2010).

ADS Статья Google ученый

Ду, Д., Дарква, Дж. И Кокогианнакис, Г. Системы терморегулирования для фотоэлектрических установок: критический обзор. Солнечная энергия 97 , 238–254 (2013).

ADS CAS Статья Google ученый

Гейс, Дж.F. et al. Обобщенная оптоэлектронная модель последовательно соединенных многопереходных солнечных элементов. IEEE J. Photovolt. 5 , 1827–1839 (2015).

Артикул Google ученый

Мейсель, М., Адельхельм, Р., Димрот, Ф., Бетт, А. В. и Варта, В. Коррекция спектрального рассогласования и спектрометрическая характеристика монолитных многопереходных солнечных элементов III – V. Прог. Фотовольт. Res. Прил. 10 , 243–255 (2002).

CAS Статья Google ученый

Siefer, G. et al. Влияние спектра симулятора на калибровку многопереходных солнечных элементов по концентрации. В конференции специалистов по фотоэлектрической технике, 2002 год . Протокол конференции двадцать девятой IEEE 836–839 (2002).

Производство водорода с помощью простого и масштабируемого безмембранного электролизера

Солнечная и ветровая энергия могут обеспечить энергию планеты без воздействия ископаемого топлива на окружающую среду, но сталкиваются со значительными проблемами для широкого внедрения из-за их низких коэффициентов мощности и присущей им непостоянности.¹ Для решения этой проблемы необходима доступная по цене технология хранения энергии в масштабе сети, которая может сделать производство электроэнергии с помощью этих технологий более распространенным. ² Одним из решений этой проблемы является преобразование избыточной возобновляемой электроэнергии в запасенную химическую энергию в виде газообразного водорода (H ₂), ³, который представляет собой многообещающий кандидат для хранения энергии в масштабе сети и в качестве безуглеродного энергоносителя. замена ископаемого топлива в транспортном и промышленном секторах.⁴ Электролизеры, которые используют электричество и воду для производства водорода и кислорода, являются хорошо зарекомендовавшими себя коммерчески доступными технологиями, ⁵, но стоимость производства H ₂ путем электролиза воды в настоящее время слишком высока. ^6–8 В настоящее время большая часть затрат на производство H ₂ путем электролиза воды приходится на электроэнергию, ^6,8, но поскольку цена на электроэнергию от ветра и солнца продолжает снижаться, а время — Использование схем ценообразования становится все более распространенным, снижение стоимости технологии электролизера будет иметь большое значение для того, чтобы сделать будущее возобновляемым водородом реальностью.

Большинство электролизеров имеют конструкцию, в которой катод и анод разделены ионопроводящей мембраной или диафрагмой. ⁹ Двумя наиболее распространенными типами электролизеров являются электролизеры с щелочной и полимерной электролитной мембраной (PEM), которые могут электролизовать щелочную и сверхчистую воду соответственно. Эти электролизеры являются зрелыми технологиями и способны работать при очень высоких плотностях тока (0,1-0,4 А · см ^-2 для щелочных и> 1.6 А · см ^-2 для PEM) и получения H ₂ высокой чистоты (> 99% для щелочи и> 99,999% для PEM). ⁵ В этих устройствах мембрана служит двум ключевым целям: облегчению переноса ионов между анодом и катодом и физическому разделению продуктов, образующихся на аноде и катоде, для предотвращения перехода. ^10,11 Несмотря на важность для работы устройства, мембраны этих электролизеров могут быть дорогостоящими, склонными к разложению или загрязнению, ^12–16 повышают сопротивление элементов и требуют использования мембранных электродов на основе сборки (MEA). дизайн, требующий не менее 10 компонентов.^14,17–19 Высокая стоимость электролизеров возникает из-за высокой стоимости отдельных компонентов (например, мембран, биполярных пластин, прокладок, катализатора и т. Д.), А также из-за стоимости сборки электролизера. В этой работе мы стремимся существенно снизить затраты на материалы и сборку, исследуя новые конструкции безмембранного электролизера. В дополнение к устранению материальных затрат на мембраны и связанные компоненты, безмембранный электролизер может значительно ослабить конструктивные ограничения, связанные с электролизером на основе MEA, открывая возможность для существенно упрощенного общего устройства, которое поддается недорогой сборке большого объема и производство.

Безмембранные колламинарные проточные ячейки на основе проточных ленточных электродов были продемонстрированы для топливных элементов ^20–24 и проточных батарей ^24–27. Эти исследования выявили потенциал для эффективной работы безмембранного устройства без значительного пересечения компонентов между анодом и катодом, но сталкиваются со значительными проблемами при расширении масштабов за пределами микрофлюидных приложений. ²³ Совсем недавно Hashemi et al. сообщили о безмембранном проточном устройстве, которое использует эффект Сегре-Зильберберга в микрожидкостном устройстве с ламинарным потоком, чтобы поддерживать разделение H ₂ и O ₂.²⁸ Авторы наблюдали переход продукта всего на 0,4% (при 71,5 мА см ⁻²) и продемонстрировали плотности тока> 300 мА см ⁻². Эта новаторская и захватывающая конфигурация была основана на электродах шириной 70 мкм, разделенных на 100 мкм, и еще не была продемонстрирована масштабируемость. В отличие от вышеупомянутых исследований, основанных на проточных электродах, безмембранные электрохимические ячейки на основе пористых проточных электродов используют поток жидкости, ортогональный электроду.Ранняя работа Сиоды исследовала влияние потока жидкости на ограничивающие токи и потенциальные распределения проточных электродов с проволочной сеткой, ^29–32, но эти электроды никогда не были включены в масштабируемое устройство для электролиза воды. Недавно две разные исследовательские группы сообщили об успешном использовании сетчатых проточных электродов для электролиза воды со встроенными средствами разделения продуктов. ^33,34 В обоих исследованиях два близкорасположенных сетчатых электрода размещены параллельно друг другу со свежим электролитом, прокачиваемым между ними, так что расходящийся поток электролита вызывает унос продуктов O ₂ и H ₂ вниз. отдельные пробирки.Гиллеспи и др. Продемонстрировали, что их концепция способна работать при высоких плотностях тока при высоких расходах и концентрациях электролита (30% КОН). ³³ Однако потенциальный недостаток этой установки электролизера заключается в том, что он все еще содержит много компонентов, и, хотя была продемонстрирована модульность ячеек, масштабируемость отдельных ячеек на основе круглых сетчатых электродов, вероятно, будет ограничена конфигурацией кольцевого потока. что было занято.

Здесь мы представляем простую конструкцию безмембранного электролизера, которая может быть изготовлена с помощью недорогих производственных технологий (например,g., литье под давлением), и было продемонстрировано, что он дает газообразный водород с низким переходом продукта и относительно высокой эффективностью электролиза. Значительным достижением является конструкция ячеек с расположенными под углом проточными электродами, которые могут быть интегрированы в одно- или двухкомпонентный корпус устройства (рис. 1), что значительно сокращает количество компонентов, которые необходимо собирать. Технически эта конструкция ячейки электролизера требует всего трех компонентов (анодная сетка, катодная сетка и корпус ячейки), хотя стеклянное окно (рис.1c) был помещен в верхнюю часть прототипов, использованных в этом исследовании, чтобы обеспечить возможность получения изображений на месте во время работы. В этой конструкции водный раствор электролита протекает через два пористых сетчатых электрода ^22,35, которые расположены под углом (θ) в непосредственной близости друг от друга. Подобно устройствам, описанным Gillespie и Hartvigsen, ^33,34, эти электролизеры не требуют мембраны для достижения низкого перехода продуктового газа, поскольку в них используется разделение продуктовых газов под действием потока.После отделения от электродов газообразные продукты немедленно уносятся вниз по одному из двух выходных каналов, разделенных тонкой перегородкой, являющейся частью корпуса ячейки (рис. 1b). Делитель отличается от мембраны тем, что он полностью изолирует — вместо этого через водный раствор электролита должен протекать ионный ток. Размещение проточных электродов под углом друг к другу имеет преимущества по сравнению с параллельными электродами: свежий электролит постоянно омывает весь электрод, и электроды могут быть более плавно интегрированы в однокомпонентный корпус устройства.Кроме того, в отличие от кольцевых параллельных проточных электродов с кольцевым входным потоком, масштабируемость отдельных электролизных ячеек, состоящих из наклонных проточных электродов, может быть легко достигнута путем увеличения высоты сетчатых электродов.

Материалы

Все растворы готовили с использованием воды 18,2 МОм см. Концентрированная серная кислота (сертифицированная ACS plus, Fischer Scientific), сульфат натрия (ACS Reagent grade, Sigma Aldrich), тетрахлороплатинат калия (99,99% на основе следов металлов, Sigma Aldrich), хлорид натрия (ACS Reagent grade, Sigma Aldrich) и универсальный индикатор pH. (pH 4–10, Sigma Aldrich) использовали без дополнительных модификаций.Электролизеры, напечатанные на 3D-принтере, были изготовлены из нитей поли (молочной кислоты) (PLA) или белого акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) натурального цвета (MakerBot Industries). Титановые (80 меш; диаметр проволоки 130 мкм) и никелевые (сетка 100; диаметр проволоки 100 мкм) были приобретены у Alfa-Aesar и были разрезаны с использованием титановых ножниц до подходящего размера.

Изготовление электродов

Электроосаждение частиц Pt на титановые сетчатые электроды проводили в растворе 3 мМ K ₂ PtCl ₄ и 0.5 M NaCl (pH = 3,15) путем проведения циклической вольтамперометрии (CV) от 0,3 до -0,7 В относительно Ag | AgCl в течение 20 циклов (рис. S1). Перед электроосаждением Ti-электроды были предварительно обработаны с использованием двухступенчатой хроноамперометрии в 0,5 M H ₂ SO ₄, что улучшило воспроизводимость электроосаждения. Первый импульс при +2,5 В относительно Ag | AgCl в течение трех секунд направлен на удаление углеродистых примесей, а второй импульс при −2,5 В относительно Ag | AgCl удаляет оксид с поверхности Ti. Эта процедура электроосаждения приводила к образованию квазисферических наночастиц платины размером ~ 300 нм на поверхности титана (рис.S2). Плотности тока основаны на двумерной площади сетчатых электродов, которые обладали электрохимически активной площадью поверхности (ECSA) ≈5 см. ² Pt на см ² меш на основе анализа пониженного потенциала осаждения водорода (H _upd) сигнал на кривых CV. Слой электрокатализатора Ni | NiOOH был приготовлен путем выполнения CV с использованием Ni сетчатого электрода в течение 100 циклов между +0,2 и +1,7 В относительно Ag | AgCl в 1 М КОН.

Изготовление электролизеров

Корпуса электролизеров были спроектированы в программе AutoDesk Inventor Professional CAD.Трехмерные файлы САПР доступны бесплатно на веб-сайте: http://echem.io/. Жидкостный канал имел длину 7,0 см, ширину 1,3 см и высоту 0,5 см с газовым разделителем размером 1,0 на 0,1 см, размещенным после электродов (рис. 1b). Для большинства скоростей потока, использованных в этом исследовании, гидродинамическая входная длина меньше длины устройства, и, таким образом, профиль скорости должен быть полностью развит перед столкновением с электродами. Поперечное сечение каждого канала для продукта составляло 0,5 на 0,6 см.Входные и выходные отверстия имели внутренний диаметр 4,0 см. Высота канала 0,5 см была выбрана, чтобы точно соответствовать внутреннему диаметру впускной / выпускной трубки (0,4 см) и, таким образом, минимизировать перемешивание и завихрение в каналах на входе и выходе устройства. Ширина канала была выбрана по той же причине: канал шириной 1,3 см разделен на два выходных канала с шириной и высотой, которые точно соответствуют диаметру труб, соединенных с выходными отверстиями для стоков. Все используемые здесь устройства были напечатаны на репликаторе MakerBot 2.0 (MakerBot Industries) с использованием нити PLA (для кислотных или нейтральных электролитов) или ABS (для щелочных электролитов). Корпуса электролизеров были напечатаны с высоким разрешением, с высотой линии 0,1 мм и заполнением 15%.

Безмембранные проточные ячейки были собраны путем размещения двух сетчатых электродов (рис. 1c, вставка) внутри 3D-печатной проточной ячейки и нанесения на них эпоксидной смолы (LockTite или JB Weld 5-минутная эпоксидная смола), ожидая в течение ночи полного схватывания эпоксидной смолы. Чтобы визуализировать внутреннюю работу безмембранных устройств, прозрачное стеклянное окно было герметизировано по отношению к передней проточной ячейке путем нанесения эпоксидной смолы непосредственно на корпус ячейки.

Характеристики и производительность устройства

Устройства, напечатанные на 3D-принтере, были охарактеризованы методами циклической вольтамперометрии (CV) и спектроскопии электрохимического импеданса. Все электрохимические эксперименты проводили с использованием биопотенциостата / гальваностата Biologic SP-300 или -200. Все растворы закачивали с помощью перистальтического насоса Cole Parmer Masterflex L / S, оснащенного насосной головкой Easy Load II. Импульсный поток от перистальтического насоса гасили с помощью самодельной системы демпфирования давления.Высокоскоростные видеоролики были получены с помощью высокоскоростной камеры Edgertronic, работающей со скоростью 500 кадров в секунду и разрешением 1280 × 1024. Высокоскоростные видеоролики были сняты камерой в режиме «макросъемки»: свет был сфокусировалась на матрицу камеры через объектив Nikon AF NIKKOR 50 мм с реверсивным кольцом.

Анализ состава газообразного продукта

Измерения газовой хроматографией проводились с использованием газового хроматографа Agilent, оснащенного детектором теплопроводности (ДТП) с использованием гелия в качестве газа-носителя.Газообразные водород и кислород собирались в перевернутых стеклянных цилиндрах, герметизированных резиновыми перегородками, которые помещались над выпускными трубками электролизера. Кроссовер продукта был рассчитан в соответствии с предыдущим отчетом ²⁸ путем измерения количества водорода в кислородном конце и деления на общее измеренное количество водорода. Измеренный процент перехода H ₂ от катода к анодному каналу, вероятно, превышает переход O ₂ от анода к катодному каналу из-за более низкой растворимости H ₂ и более высокой молярной скорости H _{. 2} производства по сравнению с O ₂.

Как описано выше и проиллюстрировано на рисунке 1, безмембранные электролизеры на основе проточных электродов из платинированной титановой сетки были изготовлены с помощью 3D-печати. Для этого исследования была изготовлена серия устройств с постоянной шириной канала потока и переменным углом (θ = 30 °, 60 °, 90 ° или 180 °) между двумя сетчатыми электродами, чтобы систематически изучать влияние угла наклона электродов. и область по производительности устройства. Для всех ячеек ширина канала поддерживалась постоянной, чтобы поддерживать аналогичную гидродинамику и одинаковую площадь основания устройства.Точные размеры электродов для всех устройств приведены в таблице I.

Таблица I. Геометрия сетчатых электродов, использованных в этом исследовании, включая угол между электродами, длину электродов и площадь поперечного сечения электрода. Для всех электродов использовалась высота 0,4 см.

Угол / градусы	Длина электрода / см	Площадь поперечного сечения / см ²
180	0.60	0,24
90	0,85	0,34
60	1,2	0,48
30	2,3	0,93

Чтобы оценить эффективность электролизера и понять источники его потерь эффективности, полезно рассмотреть взаимосвязь между током электролиза i и напряжением В , которое прикладывается между анод и катод.Приложенное напряжение равно сумме термодинамически необходимого напряжения для разделения воды Δ E ^o и напряжений, необходимых для преодоления кинетических, омических потерь и потерь при переносе массы: ³⁶

, где η _HER и η _OER — кинетические перенапряжения для реакций выделения водорода и кислорода (уравнения 2 и 3 соответственно), iR _s — омические потери напряжения в результате последовательных сопротивлений ( R _s) , η _mt — перенапряжение массообмена.равно 1,23 В при стандартных условиях и определяется разностью стандартных восстановительных потенциалов для реакции выделения водорода (HER) и реакции выделения кислорода (OER):

Для достижения максимальной эффективности электролиза кинетические, массообменные и омические потери должны быть минимизированы. η _HER и η _OER можно минимизировать путем выбора эффективных катализаторов и использования электродов с большой площадью поверхности, в то время как iR _s можно уменьшить за счет оптимизации геометрии ячейки и максимизации проводимости электролита.η _mt можно минимизировать, используя высокие концентрации реагентов и принудительную конвекцию электролита.

Подготовка и определение характеристик электродов

Электрокатализаторы с платинированной титановой сеткой использовались в качестве анода и катода безмембранных электролизеров для всех измерений, проводимых в 0,5 M H ₂ SO ₄ электролите. Каталитическую активность и стабильность электродов в 0,5 М H ₂ SO ₄ оценивали вне проточной ячейки в 3-электродной схеме путем выполнения линейной вольтамперометрии (LSV) и циклической вольтамперометрии (CV) соответственно.LSV выполняли при 10 мВ с ^-1 в 0,5 M H ₂ SO ₄ над потенциальными областями, где происходили реакции выделения водорода (HER) и кислорода (OER). Тафелевский анализ скорректированных кривых LSV iR _S — дает следующие плотности тока обмена ( j _o) и тафелевские наклоны (β): β _HER = 38,8 ± 2,2 мВ, j _{o , HER} = 6,6 × 10 ⁻⁴ А см ⁻²; β _ООР = 133.2 ± 9,0 мВ, j _{o, OER} = 1,8 × 10 ⁻⁷ А · см ⁻² (рис. S3). Кинетические потери из-за перенапряжения, связанные с HER в 0,5 M H ₂ SO ₄, относительно невелики, показывая потери из-за перенапряжения 190 мВ при 100 мА · см ^-2, что согласуется с предыдущими отчетами. ³⁷ Кинетические потери от перенапряжения, связанные с OER, составляют 840 мВ при 100 мА · см ^-2, что отражает плохую кинетику OER на Pt | Ti в кислых растворах и тот факт, что кинетические потери OER обычно являются самым большим источником эффективности. потери при электролизе воды при низких / умеренных плотностях тока.^14,17 Стабильность сетчатых электродов из платинированного титана оценивалась с помощью циклирования CV, выполняемого при 100 мВ с ^-1 в течение 100 циклов между -0,5 и 2,25 В Ag | AgCl в трехэлектродной ячейке (рис. S4). . Образцы электрокатализатора, приготовленные этим методом, показали очень небольшое ухудшение рабочих характеристик в течение 100 циклов CV.

Характеристики и рабочие характеристики устройства

Помимо кинетических потерь от перенапряжения, другим основным источником потери эффективности в электролизерах является омическое сопротивление, которое в значительной степени зависит от геометрии устройства и обычно определяется удельным сопротивлением электролита / раствора.В настоящем исследовании на сопротивление раствора влияют угол между двумя электродами (θ), длина электрода (L) и проводимость электролита (σ _с = 0,2 См см ⁻¹ для 0,5 МГн. ₂ СО ₄). ³⁸ На рис. 2а показан график зависимости сопротивления раствора от угла θ электрода, где первый был измерен с помощью спектроскопии электрохимического импеданса. Также показано общее сопротивление 0,5 M H ₂ SO ₄ в пределах параллельных электродов (θ = 0 °) с шагом 1 мм.Как и ожидалось, R _s линейно увеличивается с увеличением θ, что в первую очередь является результатом уменьшения площади электрода. Устройство под углом 30 ° показало наименьшее измеренное значение R _S, равное ≈2 Ом, а на рисунке 2а показано, что дальнейшее уменьшение угла между электродами должно привести к более низким значениям R _S.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 2. Электрохимические характеристики безмембранной электролизной ячейки в 0,5 M H ₂ SO ₄, показывающие влияние угла разделения (θ) на сопротивление раствора, ток и плотность тока. (а) Сопротивление раствора как функция угла между электродами, измеренное с помощью спектроскопии электрохимического импеданса. Красная линия — это линейная регрессия данных. Условия: E _app = потенциал холостого хода, f = 100 кГц, амплитуда = 10 мВ.Двухэлектродные циклические вольтамперограммы, измеренные при 100 мВ с ^-1, демонстрируют (b) ток и (c) плотность тока в зависимости от напряжения для устройств различной геометрии со скоростью жидкости 13,2 см с ^-1.

Эффективность электролизера оценивалась по циклическим вольтамперограммам, записанным в 0,5 M H ₂ SO ₄ в условиях потока (13,2 см с ^-1). Глядя на CV на рис. 2b, можно увидеть, что абсолютный ток при заданном напряжении увеличивается с уменьшением угла из-за соответственно большей площади электродов, подчеркивая, что площадь электродов для этого отпечатка устройства максимальна при меньших углах электродов.Когда вместо этого кривые CV строятся как зависимость плотности тока от напряжения (рис. 2c), наблюдается их схлопывание друг на друга. Внимательное рассмотрение этих кривых показывает, что плотность тока незначительно увеличивается в соответствии со следующей серией: 180 ° <60 ° <90 ° <30 °. Расчетная эффективность устройства 30 ° составила 61,9% при 100 мА см ^-2, что хорошо сравнимо с другими безмембранными электролизерами. ²⁸ В соответствии с предыдущей литературой по электролизерам, эффективность ⁵ была рассчитана как отношение напряжения элемента, соответствующего более высокой теплотворной способности (HHV) H ₂ (Δ E ^o = 1.48 В) и приложенного напряжения В .

Наличие проточного электролита в этих безмембранных электролизерах имеет большое значение для непрерывной подачи свежего электролита к поверхностям электродов, облегчения удаления продуктовых газов и удаления этих газов в отдельные сборные каналы. Влияние протекающего электролита на производительность устройства четко видно на кривых постоянного напряжения и -t, которые показаны на рис. 3а для ячейки 30 ° при различных скоростях потока.При 0 см с ⁻¹ кривая i -t демонстрирует «зубчатую» картину, которая вызвана ростом пузырьков на поверхности электрода и отрывом от нее. ³⁹ В отсутствие проточного электролита (рис. 3b) газовые пузырьки накапливаются на поверхностях электродов и снижают эффективность устройства за счет увеличения сопротивления ячейки и блокировки электрокаталитических поверхностей от свежего электролита. Напротив, работа устройства при скорости потока 6,6 см / с ^-1 приводит к значительному увеличению тока и исчезновению пилообразного рисунка, что согласуется с визуальным наблюдением, что образующиеся пузырьки непрерывно удаляются с поверхности электрода. (Инжир.3в). Дальнейшее увеличение скорости жидкости до 13,2 см / с ^-1 приводит к номинальному улучшению измеренной плотности тока.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Влияние проточного электролита на удаление пузырьков газообразного продукта во время электролиза. (а) Двухэлектродная хроноамперометрическая кривая i -t в 0,5 M H ₂ SO ₄ с использованием различных скоростей потока при 2.5 В. (b) Фотография, показывающая образование пузырьков на электродах в стоячем растворе во время электролиза при 2,5 В. (c) Фотография, сделанная во время электролиза в проточном электролите со скоростью жидкости 13,2 см · с ^-1 при 2,5 В.

Способность безмембранных электролизеров работать в различных электролитах была продемонстрирована путем оценки производительности устройства 30 ° в 0,5 MH ₂ SO ₄ (pH = 0,35), 1 M Na ₂ SO ₄ (pH = 5.5) и 1 М КОН (pH 13,7). Основным преимуществом электролизера, который может работать в нейтральных и щелочных электролитах, является то, что существует ряд катализаторов из неблагородных металлов с большим содержанием земли, которые можно использовать без ущерба для эффективности или стабильности по сравнению с их аналогами из благородных металлов. ^40,41 Дополнительным преимуществом работы безмембранного устройства при щелочном или нейтральном pH является то, что характеристики ионообменных мембран для некислотного pH отстают от характеристик протонообменных мембран, таких как Nafion.⁴² На рис. 4 показаны двухэлектродные ВАХ для устройства под углом 30 ° в трех разных электролитах. В растворе Na ₂ SO ₄, близком к нейтральному, электрический КПД составляет 49,7% при 50 мА · см ⁻². Используя ту же геометрию устройства и комбинацию катализатора (Ti | Pt), но заменив электролит на 0,5 M H ₂ SO ₄, устройство смогло достичь эффективности 67,3% при 50 мА · см ^-2. Существенная разница между нейтральным и кислотным электролитами наблюдается потому, что электрокатализатор Pt менее активен в 1 M Na ₂ SO ₄, чем в 0.5 M H ₂ SO _4,, что отражено сдвигом на ≈0,5 В начального напряжения тока электролиза. Na ₂ SO ₄ также имеет более низкую проводимость, чем H ₂ SO ₄, что приводит к большему сопротивлению раствора 4,6 Ом, измеренному с помощью EIS, и, соответственно, более пологому наклону кривой CV. Для электролиза в 1 М растворе КОН было изготовлено устройство 30 ° с использованием АБС, поскольку PLA нестабилен в сильно щелочных условиях. Кроме того, катализатор Ni | NiOOH OER был приготовлен путем 100 циклических циклов Ni-сетчатого электрода в 1 M KOH между +0.2 и +1,7 В относительно Ag | AgCl. Этот электрокатализатор использовали в качестве анода, чтобы минимизировать кинетические потери от перенапряжения. Из CV на Рисунке 4 видно, что электролизер, работающий в щелочных условиях, имел эффективность электролиза 81,3% при 50 мА · см ^-2 и 72,5% при 100 мА · см ^-2. Последнее значение было на ≈15% выше, чем зарегистрированное в 0,5 M H ₂ SO ₄.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 4. Характеристики безмембранных электролизеров в различных электролитах. Для H ₂ SO ₄ и Na ₂ SO ₄ как катод, так и анод были электроосаждены Pt на Ti сетке. Для КОН катодом была Pt на сетке из Ti, а анодом — Ni | NiOOH. Скорость сканирования = 100 мВ с ^-1 и скорость жидкости 13,2 см с ^-1.

Разделение и сбор продуктов

Помимо эффективности и стабильности, коммерчески жизнеспособный безмембранный электролизер должен также обеспечивать получение высокой чистоты H ₂ и собирать высокий процент продукта H ₂ из потока католита.Чистота потока продукта имеет большое значение для безопасной работы (нижний предел воспламеняемости для H ₂ в O ₂ составляет ≈ 4%), ³⁴ и потому, что для многих последующих применений требуется высокая чистота H ₂. В безмембранных устройствах основной проблемой низкой чистоты продукта является переход продуктовых газов между двумя электродами во время работы. В этом исследовании феномен кроссовера был проанализирован в трех разных экспериментах. Во-первых, кроссовер визуализировали колориметрически путем проведения электролиза в присутствии универсального индикатора pH (∼6% об. / Об.) В 1 M NaCl поддерживающем электролите, подход, который ранее использовался для наблюдения за изменениями pH в биполярных электрохимических ячейках. .⁴³ Электролит с нейтральным pH был выбран из-за его плохой буферной способности, что означает, что локальные изменения pH, вызванные реакциями OER и HER, приводят к изменению цвета индикаторного красителя pH. ⁴² В отсутствие электролиза pH-индикаторный краситель имеет характерный розовый цвет в слабокислом фоновом электролите (рис. 5a). Выполнение электролиза увеличивает локальный pH на катодной сетке из-за потребления протонов, в результате чего чувствительный к pH краситель становится пурпурным (Рисунки 5b, 5c).В присутствии протекающего электролита (скорость жидкости ≈ 15,4 см с ⁻¹) стоки, окрашенные в пурпурный цвет, образующиеся на катоде, стекают исключительно по катодному каналу устройства, без каких-либо признаков того, что потоки с катода переходят в анодный канал. . Напротив, пурпурный шлейф продукта, образующийся в покоящемся электролите (рис. 5c), быстро расширяется в область между двумя сетчатыми электродами. Этот результат подчеркивает необходимость наличия проточного электролита для достижения эффективного разделения анодных и катодных продуктов.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Визуализация гидродинамики безмембранных электролизеров в присутствии меняющего цвет красителя, чувствительного к pH. Изображения были получены (а) без электролиза и в потоке электролита, (б) во время электролиза при 20 мА см ^-2 с проточным электролитом и (в) во время электролиза при 20 мА см ^-2 в неподвижном электролите.Скорость жидкости составляла 15,4 см с ^-1 в (а) и (б), а электролит состоял из 1 М NaCl / 6% универсального индикатора pH для всех экспериментов. Примечание: изменение цвета на анодной стороне канала потока представляет собой тень, а пузырьки, видимые вдоль стенок канала выше по потоку, представляют собой пузырьки воздуха, присутствующие в начале эксперимента.

H ₂ кроссовер от катода к анодному каналу был также измерен in situ с помощью электрохимического датчика ^44–47, который был встроен непосредственно в электролизер на расстоянии ≈5 мм от анода (рис.6а), аналогично предыдущим экспериментам по сбору поколений в литературе. ⁴⁸ Электрохимический датчик представлял собой платинированный титановый сетчатый электрод, охватывающий весь канал отходящего потока и работающий в амперометрическом режиме при +0,8 В относительно Ag | AgCl, потенциале, при котором он селективен только к растворенному H ₂ без помех со стороны растворенного O ₂ (подробности и контрольные эксперименты см. На рисунках S5 и S6 в разделе S2 SI). Для этих экспериментов электрод сравнения был помещен во входную трубку проточной ячейки.Под приложенным потенциалом +0,8 В относительно Ag | AgCl сенсор окисляет растворенные молекулы H ₂, которые достигают его поверхности, в результате чего возникает ток окисления (сигнал сенсора), который пропорционален концентрации растворенного H ₂ при поверхность датчика. На рисунках 6b – 6e показан ток датчика, измеренный в четырехэлектродной схеме во время электролиза 0,5 M H ₂ SO ₄ при различных расходах электролита. Для всех экспериментов приложенный потенциал катода с выделением водорода был установлен на -0.3 В в зависимости от Ag | AgCl, что дает плотности тока ≈20 мА · см ⁻² на электродах анодной и катодной сеток. При этой плотности тока были видны пузырьки газа, выходящие из катода и анода. На рис. 6b показан график тока датчика в покоящемся электролите во время электролиза (красная кривая) и до электролиза (синяя кривая). Синяя кривая показывает очень низкие уровни шума по сравнению с красной кривой, для которой наблюдаются всплески тока окисления из-за диффузии водорода через делитель к электроду датчика.По мере увеличения скорости потока от 2,6 до 13,2 см с ^–1 (рис. 6c – 6e) шум датчика и средний сигнал датчика (красные кривые) уменьшаются, в то время как фоновый сигнал, измеренный в отсутствие электролиза, практически не изменяется. На рис. 6f показан средний сигнал датчика, собранный для пяти скоростей жидкости от 0–19,8 см / с ^–1 (скорость потока = 0–12,9 мл / с ^–1), что указывает на экспоненциальное затухание среднего сигнала датчика из-за окисления. из H ₂, перешедшего из встречного канала.Было обнаружено, что средний сигнал датчика HOR в отсутствие и в присутствии электролиза статистически идентичен для скоростей жидкости выше 6,6 см / с ^-1. Таким образом, резкое уменьшение сигнала датчика согласуется с резким уменьшением перехода H ₂ от катода к анодному отсеку в присутствии протекающего электролита. Следует отметить, что уменьшение сигнала датчика HOR также ожидается из-за разбавления пересекающегося H ₂ при более высоких расходах жидкости.Дальнейшие исследования проводятся для деконволюции двух эффектов, но измерения на рисунке 6f подчеркивают возможность встроенного мониторинга чистоты продукта электролизера в реальном времени с помощью электрохимических датчиков.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 6. Измерение кроссовера H ₂ с помощью электрохимических датчиков in situ. (а) Схема, показывающая конфигурацию электрохимического датчика в безмембранной проточной ячейке.Кривые датчика i -t, измеренные при скоростях жидкости: (b) 0 см с ⁻¹, (c) 2,6 см с ⁻¹, (d) 6,6 см с ⁻¹, (e) 13,2 см с ⁻¹. (f) График зависимости среднего тока датчика от скорости жидкости при включенном (красный) и выключенном (синий) электролизе. Первоначальный всплеск тока датчика, наблюдаемый в (b) — (e), приписывается нефарадеевским электродным процессам и не используется при вычислении средних значений в части (f).

Чтобы подтвердить достоверность измерений на месте, переход продуктов был дополнительно исследован с использованием ГХ для анализа состава газовых пузырьков, собранных ниже по потоку от электролизера в потоках анодных и катодных стоков (раздел S3 вспомогательной информации для Детали).В этих экспериментах электролиз проводился с ячейкой 30 ° в течение 60 минут при 100 мА / см ^-2 и скорости жидкости 26,5 см / с ^-1. Продуктовые газы собирали с использованием конфигурации «улей», как показано на рис. 7a. Газообразный продукт из катодных и анодных пробирок для сбора отбирали газонепроницаемым шприцем и сразу же вводили в прибор для газовой хроматографии. Как подробно описано в SI, анализ данных ГХ показывает, что 97,2% газообразного продукта H ₂ было собрано на катодном выводе, а остаток — на анодном выводе.Значение (100 — 97,2%) = 2,8% должно служить верхней оценкой процента H ₂, который переходит в анодный канал, так как эксперимент проводился с рециркулирующим потоком электролита, в котором мало H ₂ Пузырьки, которые не улавливаются в пробирке для сбора H ₂, имеют 50% шанс попасть в канал для сбора анода при последующих проходах. Кроме того, предполагается, что ячейка с углом 30 °, используемая для этого измерения, будет наиболее восприимчивой к перекрещиванию исследуемых устройств из-за острого угла между электродами.При дальнейших модификациях рабочих условий, геометрии устройства и устройства для сбора газа чистота продукта должна продолжать улучшаться до уровней, достигнутых другими исследователями с помощью безмембранных электролизеров. ^28,33 Никаких других видов, кроме H ₂, O ₂, N ₂ и H ₂ O, не наблюдалось в измерениях газовой хроматографии.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 7. Измерение H ₂ эффективности сбора. (а) Схема, показывающая упрощенную установку для измерения эффективности сбора. (b) Скорость производства водорода как функция времени в устройстве 30 °. Врезка: эффективность сбора как функция времени. Эксперименты проводились при 6,6 см · с ⁻¹ с приложенным током 215 мА · см ⁻² в 0,5 M H ₂ SO ₄. Ячейка работала вертикально, как показано на рисунке 7а.

Другой важный показатель производительности для работы проточного электролизера — это эффективность улавливания продуктового газа, определяемая здесь как процент образовавшегося H ₂, который собирается в нижнем по потоку резервуаре.На эффективность сбора будет отрицательно влиять переход продукта между анодом и катодом, а также растворение газообразного продукта в водной фазе. Этот последний механизм потерь особенно важен для работы устройства с проточной ячейкой, в котором ненасыщенный электролит непрерывно доставляется к поверхности электрода, но его можно минимизировать, работая при высоких плотностях тока и избегая излишне высоких скоростей потока. В данной работе эффективность сбора определялась объемным измерением количества продуктовых газов H ₂ и O ₂, собранных после электролизера с использованием перевернутых стеклянных коллекторных трубок, подключенных к устройству «улей» (рис.7а). ²⁸ На рис. 7b показан график объема собранного газа как функции времени (открытые символы) вместе с теоретическим количеством H ₂, которое должно быть произведено в соответствии с законом Фарадея на основе приложенного тока (200 мА, 215 мА см ⁻²) и время электролиза (интервалы 1 мин). Скорость сбора H ₂ составляла 1,26 ± 0,01 мл мин. ⁻¹, что соответствует эффективности сбора ≈90% по сравнению с предсказанной законом Фарадея (1,39 мл мин ⁻¹).Эффективность сбора также была рассчитана в каждой точке сбора при измерении (рис. 4b), показав, что эффективность сбора изначально низкая (≈50% через 1 минуту), но увеличивается до постоянного значения ≈90% через четыре минуты. Этот начальный переходный процесс в первую очередь вызван временем пребывания, связанным с переносом пузырьков газа в сборный цилиндр в начале эксперимента. Зарегистрированная эффективность улавливания <100% ожидается из-за некоторого растворения H ₂ в водном электролите и наличия пузырьков газа на боковых стенках трубки, соединяющей электролизер с баллоном для сбора газа.

Модульность и масштабируемость устройства

Модульность конструкции электролизера была оценена путем объединения трех ячеек параллельно (рис. 8a) и измерения их производительности. В этих экспериментах жидкостные коллекторы использовались для разделения потока исходного электролита и объединения потоков продуктов. На рис. 8b показаны результаты экспериментов по хроноамперометрии, в которых на электроды в стопке подавалось напряжение 2,2 В. При тестировании отдельной ячейки в пакете (контакт одной пары электродов, в то время как другие ячейки остаются открытыми), значения зарегистрированного тока одинаковы для всех ячеек (± 15%).Разница в токе между каждой ячейкой, вероятно, может быть связана с небольшими различиями в скорости жидкости между каждой ячейкой. Зарегистрированный ток увеличивается как сумма отдельных ячеек при параллельном подключении электродов. Когда подключены верхняя ( i = 32 мА) и средняя ячейки ( i = 40 мА), их аддитивный ток составляет 71 мА. При добавлении нижнего электрода ( i = 35 мА) токи в сумме составляют 107 мА, как и предполагалось. Эти эксперименты подтверждают, что устройства можно масштабировать по модульному принципу, аналогично добавлению ячеек в обычную электролизную батарею PEM.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 8. Демонстрация модульности напечатанных на 3D-принтере безмембранных устройств для разделения воды. (а) Фотография 3 безмембранных ячеек под углом 45 °, соединенных параллельно. (b) Общий ток электролиза, измеренный для отдельных ячеек и комбинаций ячеек во время работы при приложенном напряжении 2,2 В в 0,5 M H ₂ SO ₄ и при скорости жидкости 4.4 см с ⁻¹. Пунктирная красная линия показывает ожидаемый ток для комбинаций ячеек на основе тока, измеренного для каждой ячейки в отдельности.

Помимо параллельного соединения нескольких ячеек электролизера, еще одним средством увеличения производства H ₂ является увеличение размера электродов, используемых в одной ячейке. Основное преимущество наклонной конструкции проточного электрода, используемой в этой работе, заключается в том, что высоту электрода можно неограниченно масштабировать без отрицательного влияния на производительность устройства.Площадь электрода также может быть увеличена за счет увеличения длины электрода (L), но это увеличение площади электрода достигается за счет увеличения среднего расстояния между анодной и катодной сетками. Большее разделительное расстояние, связанное с более длинными электродами, приводит к большим потерям во время работы и, таким образом, к более низкой эффективности электролиза при заданном приложенном потенциале. Однако в растворе iR _S потери не являются однородными по всей длине наклонных электродов, что приводит к неравномерному распределению тока между анодом и катодом.

Чтобы лучше понять пределы масштабирования этих безмембранных устройств и количественно оценить неравномерный ток между расположенными под углом электродами, было использовано высокоскоростное видео (HSV) ^49–51 для исследования безмембранного электролизера с углом электрода 180 °. ° и шириной канала 5,1 см (рис. 9а). Эта геометрия была выбрана для усиления неравномерного распределения тока по длине электрода с целью получения изображений. На рисунке 9b показан неподвижный кадр из высокоскоростного видео, на котором было снято образование пузырьков на сетчатом катоде во время электролиза при общем приложенном токе 50 мА и скорости жидкости 6.6 см с ⁻¹. В этих экспериментах пузырьки водорода можно использовать для визуальной аппроксимации распределения тока по поверхности электрода, поскольку объем выделяющихся пузырьков H ₂ пропорционален локальному току. На рисунке 9b показано значительное изменение количества газа, производимого по длине электрода, с заметным уменьшением среднего размера пузырьков при движении от верха к низу электрода. Это наблюдение согласуется с ожиданиями более низкой плотности тока на дне катода из-за большего расстояния для переноса ионов между катодом и анодом.На рис. 9с показано то же устройство, работающее в условиях покоя, в котором пузырьки образуются симметрично по обе стороны от сетчатого электрода в отсутствие потока жидкости. В качестве полуколичественной меры локального изменения плотности тока объем пузырька был рассчитан как функция длины электрода (разделен на 6 секций) и нанесен на график на Рисунке 9d. Из рисунка 9 видно, что, когда электроды и расстояние между ними большие, наблюдается значительное изменение локальной плотности тока по длине электрода.Неравномерное распределение тока может существенно повлиять как на эффективность электролиза, так и на долгосрочную стабильность, вызванную неравномерным старением электрода. Этот анализ подчеркивает возможность использования высокоскоростного видео для анализа локальных распределений плотности тока при жидкофазном электролизе. В настоящее время предпринимаются усилия по объединению высокоскоростного видеоанализа на месте с моделированием методом конечных элементов в качестве платформы для разработки более эффективных безмембранных электролизеров.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 9. Высокоскоростной видеоанализ неоднородных плотностей тока по длине сетчатого электрода. (а) Схема безмембранной проточной кюветы шириной 5,1 см. Красный пунктирный прямоугольник показывает область, используемую для высокоскоростной видеосъемки. Статические изображения из анализа HSV, показывающие образование пузырьков вдоль электрода 2,5 см в условиях (b) потока и (c) покоя. (d) График нормализованного объема пузырька в зависимости от длины электрода. Обратите внимание, что линия в (d) не соответствует экспериментальным данным, а показана как ориентир.Электролиз проводили при 50 мА в 0,5 М H ₂ SO ₄.

В этой работе исследовались безмембранные электролизеры, напечатанные на 3D-принтере, на основе проточных электродов с угловой сеткой, интегрированных в простую геометрию устройства. Благодаря разделению продукта потоком и улучшенному массообмену эти электролизеры могут эффективно работать без мембраны. В щелочном электролите эффективность электролиза 72,5% (на основе HHV H ₂) была измерена при плотности тока 100 мА · см ^-2.Переход продуктового газа исследовали с помощью визуализации на месте, встроенных электрохимических датчиков и ГХ-анализа продуктовых газов, собранных ниже по потоку от электролизера. ГХ-анализ показал, что 2,8% собранного газа H ₂ перешло с катода в поток сбора анода. В отдельных экспериментах ≈90% газообразного продукта было собрано в устройстве сбора, расположенном ниже по потоку, и для демонстрации модульности конструкции использовался пакет из 3 ячеек. Ожидается улучшение всех показателей производительности с дальнейшей оптимизацией геометрии ячеек и условий эксплуатации.Более того, простая конструкция обеспечивает легкость изготовления и сборки, что дает возможность значительно снизить капитальные затраты на производство H ₂ с помощью электролиза воды.

Авторы выражают признательность Л. Таубу и Дж. Мерфи за их работу с ранними прототипами устройств, К. Хоксхерсту и Дж. Чену за помощь в измерениях газовой хроматографии, А. Шайло за помощь с печатью ABS, Дж. Дэвису за полезные обсуждения, Дж. Ци и Н. Лабрадору за SEM-изображения и Колумбийский университет за начальное финансирование.

Базовый обзор технологии топливных элементов

Основные сведения о топливных элементах

На этом сайте мы ищем исторические материалы. относящиеся к топливным элементам. Мы построили площадку для сбора информация от людей, уже знакомых с технологиями, таких как изобретатели, исследователи, производители, электрики и маркетологи. Этот раздел «Основы» представляет общий обзор топливных элементов для случайных посетителей.

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент — это устройство, которое генерирует электричество путем химической реакции. Каждый топливный элемент имеет два электрода, называемых соответственно анодом и катодом. На электродах протекают реакции, производящие электричество.

Каждый топливный элемент также имеет электролит, который несет электрически заряженные частицы. от одного электрода к другому, и катализатор, который ускоряет реакции на электроды.

Основным топливом является водород, но для топливных элементов также требуется кислород. Одно большое обращение топливные элементы состоит в том, что они вырабатывают электроэнергию с очень небольшим загрязнением — большая часть водород и кислород, используемые для производства электроэнергии, в конечном итоге объединяются, чтобы сформировать безвредный побочный продукт, а именно вода.

Одна деталь терминологии: один топливный элемент генерирует крошечное количество прямого ток (DC) электричество. На практике многие топливные элементы обычно собираются в куча.Ячейка или стопка, принципы одинаковы.

Верх

Как работают топливные элементы?

Назначение топливного элемента — производить электрический ток, который может быть направлен вне клетки для выполнения работы, такой как включение электродвигателя или освещение лампочка или город. Из-за того, как ведет себя электричество, этот ток возвращается к топливный элемент, замыкая электрическую цепь. (Чтобы узнать больше об электричестве и электроэнергии, посетите страницу «Throw The Switch» на сайте Смитсоновского института Powering a Генерация перемен.) Химические реакции, которые производят этот ток, являются ключевыми как работает топливный элемент.

Существует несколько видов топливных элементов, каждый из которых работает по-своему. Но в общие термины, атомы водорода попадают в топливный элемент на аноде, где происходит химическая реакция лишает их электронов. Атомы водорода теперь «ионизированы» и несут положительный электрический заряд. Отрицательно заряженные электроны обеспечивают ток через провода делать работу.Если необходим переменный ток (AC), DC выход топливного элемента должен быть направлен через устройство преобразования, называемое инвертор.

Графика Марка Маршалла, Шац Центр энергетических исследований

Кислород попадает в топливный элемент на катод, а в некоторых типах ячеек (например, показанный выше) он объединяет с электронами, возвращающимися из электрическая цепь и ионы водорода, которые прошли через электролит из анод.В других типах клеток кислород захватывает электроны, а затем проходит через них. электролит к аноду, где он соединяется с ионами водорода.

Электролит играет ключевую роль. Он должен пропускать только соответствующие ионы. между анодом и катодом. Если бы свободные электроны или другие вещества могли путешествовать через электролит они нарушили бы химическую реакцию.

Будь то соединяются на аноде или катоде, вместе водород и кислород образуют воду, которая стекает из клетки.Пока топливный элемент снабжен водородом и кислородом, он будет генерировать электричество.

Еще лучше, поскольку топливные элементы создают электричество химическим путем, а не путем сжигания, они не подчиняются термодинамическим законам, которые ограничивают обычную электростанцию (см. «Предел Карно» в глоссарии). Следовательно, топливные элементы более эффективны в извлечение энергии из топлива. Отработанное тепло некоторых клеток также можно использовать, еще больше повышая эффективность системы.

Верх

Так почему я не могу пойти и купить топливный элемент?

Возможно, нетрудно проиллюстрировать основные принципы работы топливного элемента. Но строительство недорогие, эффективные и надежные топливные элементы — дело гораздо более сложное.

Ученые и изобретатели разработали множество различных типов и размеров топливных элементов. в поисках большей эффективности, и технические детали каждого типа различаются. Многие из вариантов, с которыми сталкиваются разработчики топливных элементов, ограничены выбором электролит.Например, конструкция электродов и материалы, из которых изготовлены они зависят от электролита. Сегодня основными типами электролитов являются щелочные, расплавленные. карбонат, фосфорная кислота, протонообменная мембрана (PEM) и твердый оксид. Первое три — жидкие электролиты; последние два — твердые тела.

Тип топлива также зависит от электролита. Некоторым клеткам нужен чистый водород, и поэтому требуется дополнительное оборудование, такое как «риформер» для очистки топлива.Другие клетки может переносить некоторые примеси, но для эффективной работы может потребоваться более высокая температура. В некоторых ячейках циркулируют жидкие электролиты, для чего требуются насосы. Тип электролит также определяет рабочую температуру ячейки — «расплавленные» карбонатные ячейки работают горячий, как следует из названия.

Каждый тип топливных элементов имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими, и ни один из них все же достаточно дешев и эффективен, чтобы широко заменить традиционные способы генерации электростанции, такие как угольные, гидроэлектростанции или даже атомные электростанции.

В следующем списке описаны пять основных типов топливных элементов. Более подробный информацию можно найти в этих конкретных разделах этого сайта.

Верх

Различные типы топливных элементов.

Рисунок щелочной ячейки.

Щелочные топливные элементы работают на сжатый водород и кислород. Обычно они используют раствор гидроксида калия. (химически КОН) в воде в качестве электролита.КПД составляет около 70 процентов, а рабочая температура составляет от 150 до 200 градусов C (от 300 до 400 градусов по Фаренгейту). Клетка мощность варьируется от 300 Вт (Вт) до 5 киловатт (кВт). Щелочные ячейки использовались в Космический корабль «Аполлон» обеспечивает как электроэнергию, так и питьевую воду. Они требуют чистых однако водородное топливо и катализаторы на основе платиновых электродов дороги. А также как и любая емкость, наполненная жидкостью, они могут протекать.

Чертеж электролизера карбоната

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) используют высокотемпературные соединения соли (например, натрия или магния) карбонаты (химически, CO ₃) как электролит.Эффективность колеблется от 60 до 80 процентов, а рабочая температура составляет около 650 градусов C (1200 градусов F). Построены блоки мощностью до 2 мегаватт (МВт), и существуют конструкции для блоков до 100 МВт. Высокая температура ограничивает повреждение от углерода монооксидное «отравление» ячейки и отработанное тепло можно переработать для получения дополнительных электричество. Их никелевые электроды-катализаторы недороги по сравнению с платиновыми. используется в других камерах. Но высокая температура также ограничивает материалы и безопасность использования. MCFC — они, вероятно, были бы слишком горячими для домашнего использования.Кроме того, карбонат-ионы из в реакциях расходуется электролит, поэтому необходимо вводить углекислый газ. компенсировать.

Топливные элементы с фосфорной кислотой (PAFC) используют фосфорную кислоту в качестве электролита. КПД составляет от 40 до 80 процентов, а рабочая температура — от 150 до 200 градусов по Цельсию (от 300 до 400 градусов по Фаренгейту). Существующие клетки фосфорной кислоты имеют мощностью до 200 кВт, испытаны блоки мощностью 11 МВт. PAFC терпят углерод концентрация монооксида около 1.5 процентов, что расширяет выбор топлива, которое они можешь использовать. Если используется бензин, необходимо удалить серу. Платиновые электроды-катализаторы необходимы, а внутренние части должны выдерживать коррозию кислоты.

Рисунок того, как работают топливные элементы на основе фосфорной кислоты и PEM.

Протонообменная мембрана (PEM) топливные элементы работают с полимерным электролитом в виде тонкого проницаемого листа.КПД составляет от 40 до 50 процентов, а рабочая температура составляет около 80 градусов Цельсия. (около 175 градусов по Фаренгейту). Мощность ячеек обычно составляет от 50 до 250 кВт. Твердый, гибкий электролит не протекает и не трескается, и эти элементы работают при достаточно низком уровне температура, чтобы сделать их пригодными для дома и автомобилей. Но их топливо должно быть очищено, Платиновый катализатор используется с обеих сторон мембраны, что увеличивает затраты.

Чертеж твердооксидной ячейки

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) твердое керамическое соединение оксидов металлов (например, кальция или циркония) (химически, О ₂) как электролит.КПД составляет около 60 процентов, а рабочие температуры около 1000 градусов по Цельсию (около 1800 градусов по Фаренгейту). Мощность ячеек до 100 кВт. На таком высоком температурам, установка риформинга не требуется для извлечения водорода из топлива, а отходы тепло можно использовать повторно для производства дополнительной электроэнергии. Однако высокая температура ограничивает применение блоков ТОТЭ, и они, как правило, довольно большие. Пока твердый электролиты не могут вытекать, они могут треснуть.

Более подробная информация о каждом типе топливных элементов, включая историю и текущие приложения можно найти в соответствующих разделах этого сайта.У нас также есть предоставлен глоссарий технических терминов — ссылка находится вверху каждого страница технологий.

Верх

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

От водородной энергетики к водородной экономике

Промышленные водородные электролизеры | ЭкоГазСистем

От водородной энергетики к водородной экономике

Ученые создали материалы для получения чистого водорода из биотоплива — Газета.Ru

Генератор водорода для отопления своими руками

Устройство и принцип работы генератора водорода

Видео: Топливная ячейка Стенли Мейера

Преимущества газа Брауна как источника энергии

Область применения

Видео: Как правильно обустроить водородное отопление

Что необходимо для изготовления топливной ячейки дома

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Выбор материалов для строительства генератора водорода

Инструменты, которые потребуются в процессе работы

Инструкция: как сделать водородный генератор своими руками

Видео: Сборка устройства

Видео: Работа конструкции «сухого» типа

Отдельные моменты использования

Ученые из США разработали эффективный способ извлечения водорода из воды — Социальная ответственность

Производство водорода: электролиз | Министерство энергетики

Как это работает?

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом

Электролизеры щелочные

Электролизеры на твердом оксиде

Почему рассматривается этот путь?

Исследования направлены на преодоление трудностей

Производство водорода с помощью электролиза воды PEM — Обзор

Основные моменты

Реферат

Ключевые слова

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

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

Что такое электролизер и как он работает?

Существуют ли электролизеры разных типов?

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Что такого уникального в водородных топливных элементах?

Почему водород — такой хороший вариант для чистой энергии?

Что Cummins делает с электролизерами?

процессов | Бесплатный полнотекстовый | Электролиз щелочной воды с использованием возобновляемых источников энергии: обзор

1. Введение

2. Электролиз щелочной воды

4. Конструкция электролизера и напряжение электролизера

5. Чистота газа

7. Возобновляемая энергия

7.1. Solar Photovoltaic Power

7.2. Энергия ветра

8. Водородная энергетическая система и стабилизация энергосистемы

10. Выводы

Разделение воды на солнечной энергии с помощью фотоэлектрического электролиза с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород более 30%

Производство водорода с помощью простого и масштабируемого безмембранного электролизера

Материалы

Изготовление электродов

Изготовление электролизеров

Характеристики и производительность устройства

Анализ состава газообразного продукта

Подготовка и определение характеристик электродов

Характеристики и рабочие характеристики устройства

Разделение и сбор продуктов

Модульность и масштабируемость устройства

Базовый обзор технологии топливных элементов

Читайте также

Что делать, если грудничок не спит днем: советы по налаживанию режима сна

Антигистаминные препараты для новорожденных: лечение и профилактика аллергии у грудничков

Методика «Цветоник» М. Лазарева для музыкального развития детей

Добавить комментарий Отменить ответ