Nowy ulubieniec energii wodorowej: jak piankowy stop żelaza i niklu zmienia kształt elektrolizerów do produkcji wodoru

1. Nowa era wodoru

Od momentu jego odkrycia w XVI wieku wodór był uważany za kluczowe, czyste źródło energii ze względu na jego dostępność, wysoką gęstość energetyczną oraz ekologiczne, niskoemisyjne właściwości.

Obecnie procesy produkcji wodoru są klasyfikowane według emisji dwutlenku węgla na wodór szary, wodór niebieski i wodór zielony. Spośród nich zielony wodór, wytwarzany przez elektrolizę wody przy użyciu energii odnawialnej, nie emituje gazów cieplarnianych ani szkodliwych substancji i charakteryzuje się wysoką czystością. Jest to najczystsza metoda produkcji wodoru i stanowi główny kierunek przyszłości dla energii wodorowej.

Zielony wodór uzyskuje się przede wszystkim poprzez:elektroliza wody, gdzie elektrolizer rozdziela wodę na wodór i tlen. Obecnie istnieją cztery główne technologie elektrolizerów: ALK (elektroliza wody alkalicznej), PEM (elektroliza membranowa z wymianą protonów), SOEC (elektroliza tlenków stałych) i AEM (stały polimer aWna zasadzie elektrolizy membranowej).

W kontekście globalnej neutralności węglowej zielony wodór stał się niewątpliwie kluczowym obszarem transformacji energetycznej. Zdolność technologii elektrolizerów do dalszego obniżania kosztów i zwiększania wydajności ma kluczowe znaczenie dla jej przyszłego sukcesu w tej ważnej dziedzinie.

2. Podstawa: elektrolizery alkaliczne

ALK (alkaliczna elektroliza wody) do produkcji wodoru odbywa się w środowisku alkalicznego elektrolitu, zazwyczaj przy użyciu roztworów KOH lub NaOH. Największą zaletą tej technologii elektrolizy jest to, że zarówno anoda, jak i katoda nie zawierają cennychMetals, co skutkuje najniższym kosztem elektrolizera. Ponadto ten typ elektrolizera jest najbardziej dojrzały komercyjnie, z dużym doświadczeniem operacyjnym i dominuje na rynku. Kluczowe wskaźniki wydajności niektórych krajowych urządzeń krytycznych osiągnęły międzynarodowe poziomy zaawansowane, oferując produkcję wodoru na dużą skalę na ogniwo, co czyni je łatwo adaptowalnymi do elektrolizy zasilanej z sieci.

Elektrolizer alkaliczny składa się głównie z elementów takich jak płyty końcowe, uszczelki, płyty bipolarne,Elektrodapłyty i przepony. Elektrolizer składa się z dziesiątek, a nawet setek ogniw elektrolizy, ściśniętych razem śrubami i płytami końcowymi, tworząc kształt cylindryczny lub kwadratowy. Każda cela elektrolizy, ograniczona dwiema sąsiadującymi płytami, zawiera sześć części: dodatnie i ujemne płyty bipolarne, elektrodę anodową, przeponę, uszczelkę uszczelniającą i elektrodę katodową.

Co najważniejsze, elektroda alkalicznego elektrolizera to miejsce, w którym zachodzą reakcje elektrochemiczne i jest kluczowa dla określenia wydajności produkcji wodoru przez elektrolizer. Większość elektrod stosowanych w dużych domowych alkalicznych elektrolizerach jest oparta na niklu, takich jak czysta siatka niklowa, pianka niklowa lub czyste podłoża z siatki niklowej/pianki niklowej pokryte wysoce aktywnymi katalizatorami. Spośród nich pianka niklowa jest niedroga i dojrzała. Materiał elektrody jest wypełniony licznymi mikroporami, oferując ogromną powierzchnię. To znacznie zwiększa powierzchnię styku między roztworem a elektrodą, skraca odległość transferu masy i znacznie poprawia wydajność reakcji elektrolizy.

Materiał piankowy ze stopu żelaza i nikluprzewyższa tradycyjne materiały na bazie niklu, zapewniając więcej aktywnych miejsc wydzielania tlenu, a jego wydajność katalityczna jest znacznie wyższa. Jest to „mistrzowski ruch” dla elektrolizy wody alkalicznej, aby dalej przebić się i rozwijać. Według autorytatywnych testów, w rzeczywistych warunkach pracy, wydajność elektrolizy wody alkalicznej przy użyciu pianki żelazowo-niklowej jest lepsza niż tradycyjnej siatki niklowej. Na podstawie bieżących krajowych i międzynarodowych najnowocześniejszych badań, zużycie energii DC może wynosić zaledwie 4,0-4,3 KWH/standardowy metr sześcienny, a wydajność energetyczna sięga 80-85%.

3. Początek elektrolizerów AEM

Elektroliza wody przy użyciu stałej polimerowej membrany anionowymiennej (AEM) to proces produkcji wodoru, w którym jako separator stosuje się tańszą membranę anionowymienną, jako elektrolit stosuje się roztwór alkaliczny o niskim stężeniu lub czystą wodę, a do reakcji stosuje się katalizatory w postaci metali nieszlachetnych.

W elektrolizerach AEM anoda składa się zazwyczaj z tlenków metali przejściowych (np. tlenku niklu, tlenku kobaltu), natomiast katoda jest na ogół wykonana z metali szlachetnych lub ich stopów, takich jak nikiel, platyna lub pallad.

Reakcja na anodzie to: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Reakcja na katodzie to: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Wspomniane tutaj 4OH− to aniony, na które kładzie się nacisk w tym procesie. Pod wpływem membrany anionowymiennej OH− wytwarzane na katodzie może migrować do anody, zwiększając stężenie OH− po stronie anody, co prowadzi do większej produkcji tlenu i wody na anodzie. To naturalnie pozostawia czystszy produkt wodorowy na katodzie.

Podstawową rolą materiałów katodowych i anodowych jest katalizowanie reakcji rozszczepiania wody i wydajne uwalnianie wytworzonego wodoru i tlenu. Dlatego zarówno materiały katodowe, jak i anodowe muszą posiadać silną aktywność katalityczną i porowatość. Aby zapewnić płynny przebieg reakcji elektrodowych, materiały katodowe i anodowe muszą również mieć wysoką przewodność anionów i elektronów.

Obecnie najczęściej stosowanymi materiałami katodowymi są stopy niklu, a materiałami anodowymi są przede wszystkim stopy niklu i żelaza. Żelazo i nikiel nie tylko wykazują silną aktywność katalityczną w rozszczepianiu wody, ale są również szeroko dostępne i niedrogie. Ponieważ AEM nie działa w silnie korozyjnych środowiskach, nie wymaga katalizatorów z metali szlachetnych, takich jak iryd lub tytan w materiałach anodowych i katodowych. Znacznie obniża to koszty produkcji sprzętu AEM, a jego wydajność nie jest gorsza od technologii PEM, co czyni go głównym kierunkiem dla nowo opracowywanych elektrolizerów wodoru na całym świecie.

4. Jazda na fali: wzrostPiana żelazowo-niklowa

Niezależnie od tego, czy chodzi o obecnie stosowaną technologię ALK (alkaliczna elektroliza), czy o rozwijającą się technologię AEM, pianka żelazowo-niklowa oferuje wyjątkowe zalety użytkowe i szerokie perspektywy.

Charakterystyka materiału: Rewolucyjna konstrukcja siatki 3D

• Bardzo duża powierzchnia właściwa:Przy rozmiarach porów od 20 do 450 μm i porowatości ≥98%, powierzchnia czynna jest setki razy większa niż elektrod planarnych. To znacznie zwiększa szybkość reakcji, dramatycznie zwiększa powierzchnię kontaktu między roztworem a elektrodą, skraca odległość transferu masy i znacznie poprawia wydajność reakcji elektrolizy.
• Efektywna kataliza:Powierzchnia pianki żelazowo-niklowej jest pokryta katalizatorami na bazie niklu i żelaza. Katalizatory te wspomagają reakcję elektrolizy wody, która rozdziela wodę na wodór i tlen.
• Wsparcie strukturalne:Trójwymiarowa struktura pianki niklowej zapewnia doskonałe wsparcie, pomagając zachować stabilność i integralność strukturalną elektrody, co gwarantuje długotrwałe działanie.
• Wysoka przewodność:Zarówno żelazo jak i nikiel są dobrymi przewodnikami prądu, a trójwymiarowa struktura pianki żelazowo-niklowej zapewnia dużą powierzchnię, co wspomaga dystrybucję prądu.

Aplikacja warstwy katalizatora

Obecnie warstwy katalizatorów elektrolizerów obejmują przede wszystkimwarstwa katalizatora anodowego (OER-CL)iwarstwa katalizatora katodowego (HER-CL), które ułatwiają odpowiednio reakcję wydzielania tlenu (OER) i reakcję wydzielania wodoru (HER). Ponieważ zarówno OER, jak i HER wykazują obojętność kinetyczną, katalizatory są zazwyczaj ładowane na elektrody w celu zwiększenia aktywności reakcji i zmniejszenia zużycia energii. Jest to funkcja warstwy katalizatora (CL). Ponieważ katalizatory na bazie Ni wykazują wysoką aktywność i doskonałą odporność na korozję w środowisku alkalicznym i są bardziej stabilne niż inne metale przejściowe (takie jak Fe, Co), są szeroko stosowane jako katalizatory OER i HER. Ze względu na swoje wysokie powinowactwo do tlenu, Fe ma tendencję do adsorpcji gatunków OH− i dlatego jest często stosowany jako promotor kinetyczny OER.Materiał piankowy ze stopu niklu i żelaza, który łączy w sobie właściwości metali NiFe, wykazuje znaczące zalety, gdy jest stosowany jako materiał anodowy przy produkcji wodoru.

Aplikacja warstwy dyfuzyjnej

Warstwa dyfuzyjna gazu (GDL) jest używana głównie do dyfuzji gazu — wodoru na katodzie i tlenu na anodzie. Ponadto, ze względu na przewodnictwo metalu i przewodnictwo cieplne, ułatwia również przenoszenie elektronów i ciepła, stąd jest znana jako porowata warstwa transportowa (PTL). Obecnie pianka niklowa jest szeroko stosowana jako materiał warstwy dyfuzyjnej na rynku. Ponadto wysokiej jakości, ekonomiczna pianka żelazowo-niklowa jest teraz bardziej ekonomicznym wyborem.