Vodorod uchun suv elektrolizatori

Elektroliz qayta tiklanadigan va yadroviy manbalardan uglerodsiz vodorod ishlab chiqarishning istiqbolli variantidir. Elektroliz - suvni vodorod va kislorodga bo'lish uchun elektr energiyasidan foydalanish jarayoni. Bu reaksiya elektrolizator deb ataladigan birlikda sodir bo'ladi. Elektrolizatorlar o'lchamlari bo'yicha kichik miqyosda taqsimlangan vodorod ishlab chiqarish uchun mos bo'lgan kichik asbob-uskunalardan tortib to to'g'ridan-to'g'ri qayta tiklanadigan yoki issiqxona gazlarini chiqarmaydigan boshqa shakllarga bog'lanishi mumkin bo'lgan yirik, markaziy ishlab chiqarish ob'ektlarigacha bo'lishi mumkin. elektr energiyasi ishlab chiqarish.

Bu qanday ishlaydi
Yoqilg'i xujayralari singari, elektrolizatorlar elektrolit bilan ajratilgan anod va katoddan iborat. Turli elektrolizatorlar, asosan, elektrolitlar moddasining har xil turi va u o'tkazadigan ion turlari tufayli turli yo'llar bilan ishlaydi.

Polimer elektrolit membrana elektrolizatorlari
Polimer elektrolit membranasi (PEM) elektrolizatorida elektrolit qattiq maxsus plastik materialdir.

Suv anodda reaksiyaga kirishib, kislorod va musbat zaryadlangan vodorod ionlarini (protonlar) hosil qiladi.
Elektronlar tashqi kontaktlarning zanglashiga olib o'tadi va vodorod ionlari tanlab PEM bo'ylab katodga o'tadi.
Katodda vodorod ionlari vodorod gazini hosil qilish uchun tashqi konturdan elektronlar bilan birlashadi. Anod reaksiyasi: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-katod reaksiyasi: 4H+ + 4e- → 2H2

Ishqoriy elektrolizatorlar
Ishqoriy elektrolizatorlar gidroksid ionlarini (OH-) elektrolitlar orqali katoddan anodga o'tkazish orqali ishlaydi, katod tomonida vodorod hosil bo'ladi. Elektrolit sifatida natriy yoki kaliy gidroksidning suyuq gidroksidi eritmasidan foydalanadigan elektrolizatorlar ko'p yillar davomida tijoratda mavjud. Elektrolit sifatida qattiq gidroksidi almashinadigan membranalardan (AEM) foydalanadigan yangi yondashuvlar laboratoriya miqyosida va'da bermoqda.

Qattiq oksidli elektrolizatorlar
Yuqori haroratlarda manfiy zaryadlangan kislorod ionlarini (O2-) tanlab o'tkazuvchi elektrolit sifatida qattiq keramik materialdan foydalanadigan qattiq oksidli elektrolizatorlar vodorodni biroz boshqacha tarzda hosil qiladi.
Katoddagi bug 'tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan elektronlar bilan birlashib, vodorod gazi va manfiy zaryadlangan kislorod ionlarini hosil qiladi.
Kislorod ionlari qattiq keramik membranadan o'tib, kislorod gazini hosil qilish va tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan elektronlarni hosil qilish uchun anodda reaksiyaga kirishadi.
Qattiq oksidli elektrolizatorlar qattiq oksidli membranalar to'g'ri ishlashi uchun etarlicha yuqori haroratlarda ishlashi kerak (70-90 darajada ishlaydigan PEM elektrolizatorlari va odatda past haroratlarda ishlaydigan tijorat ishqoriy elektrolizatorlariga nisbatan taxminan 700-800 daraja). 100 daraja). Proton o'tkazuvchi keramik elektrolitlar asosidagi ilg'or laboratoriya miqyosidagi qattiq oksidli elektrolizatorlar ish haroratini 500-600 darajaga tushirishga va'da bermoqda. Qattiq oksidli elektrolizatorlar suvdan vodorod ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan elektr energiyasini kamaytirish uchun yuqori haroratlarda mavjud bo'lgan issiqlikdan (turli manbalardan, shu jumladan yadroviy energiyadan) samarali foydalanishi mumkin.

Nima uchun bu yo'l ko'rib chiqilmoqda
Elektroliz vodorod ishlab chiqarishning etakchi yo'li bo'lib, 1 o'n yil ichida 1 kilogramm uchun toza vodorod narxini 80% dan 1 dollargacha pasaytirish bo'yicha vodorod energiyasining Earthshot maqsadiga erishadi ("1 1 1"). Elektroliz yo'li bilan ishlab chiqarilgan vodorod, ishlatiladigan elektr energiyasi manbasiga qarab, nol issiqxona gazlari emissiyasiga olib kelishi mumkin. Elektroliz yo'li bilan vodorod ishlab chiqarishning foydasi va iqtisodiy samaradorligini baholashda zarur elektr energiyasining manbasini, shu jumladan uning tannarxi va samaradorligini, shuningdek, elektr energiyasi ishlab chiqarish natijasida hosil bo'ladigan chiqindilarni hisobga olish kerak. Respublikamizning koʻpgina hududlarida bugungi elektr tarmoqlari elektroliz uchun zarur boʻlgan elektr energiyasini taʼminlash uchun ideal emas, chunki ajralib chiqadigan issiqxona gazlari va elektr energiyasini ishlab chiqarish jarayonining samaradorligi pastligi sababli yoqilgʻi miqdori talab qilinadi. Elektroliz orqali vodorod ishlab chiqarish qayta tiklanadigan (shamol, quyosh, gidro, geotermal) va atom energiyasidan foydalanish uchun olib borilmoqda. Bu vodorod ishlab chiqarish yo'llari deyarli nolga issiqxona gazlari va mezonlari ifloslantiruvchi emissiya olib keladi; ammo, tabiiy gaz islohoti kabi etuk uglerodga asoslangan yo'llar bilan raqobatbardosh bo'lish uchun ishlab chiqarish tannarxini sezilarli darajada kamaytirish kerak.

Qayta tiklanadigan energiyadan energiya ishlab chiqarish bilan sinergiya salohiyati
Elektroliz orqali vodorod ishlab chiqarish ba'zi qayta tiklanadigan energiya texnologiyalariga xos bo'lgan dinamik va intervalgacha energiya ishlab chiqarish bilan sinergiya imkoniyatlarini taklif qilishi mumkin. Masalan, shamol energiyasining narxi pasayishda davom etgan bo'lsa-da, shamolning o'ziga xos o'zgaruvchanligi shamol energiyasidan samarali foydalanishga to'sqinlik qiladi. Vodorod yoqilg'isi va elektr energiyasini ishlab chiqarish shamol fermasida birlashtirilishi mumkin, bu esa ishlab chiqarishni tizimning operatsion ehtiyojlari va bozor omillariga eng mos keladigan resurslar mavjudligiga moslashtirish uchun moslashuvchanlikni ta'minlaydi. Shuningdek, shamol fermalaridan ortiqcha elektr energiyasi ishlab chiqarilganda, odatdagidek elektr energiyasini qisqartirish o'rniga, bu ortiqcha elektr energiyasidan elektroliz orqali vodorod ishlab chiqarish uchun foydalanish mumkin.

Shuni ta'kidlash muhim ...
Bugungi elektr tarmog'i elektroliz uchun ideal elektr energiyasi manbai emas, chunki elektr energiyasining katta qismi issiqxona gazlari chiqindilariga olib keladigan va energiya talab qiladigan texnologiyalar yordamida ishlab chiqariladi. Qayta tiklanadigan yoki yadroviy energiya texnologiyalaridan foydalangan holda, tarmoqdan alohida yoki tarmoq aralashmasining o'sib borayotgan qismi sifatida elektr energiyasini ishlab chiqarish elektroliz orqali vodorod ishlab chiqarish uchun ushbu cheklovlarni bartaraf etishning mumkin bo'lgan variantidir.

Elektroliz jarayonida bir vaqtning o'zida ikki xil ionlanish jarayoni sodir bo'ladi. Bu holatda ham suv, ham elektrolitlar raqobatlashadi.

Elektrolitlar suv bilan bir xil ionlanish jarayonidan o'tadi. Xuddi shu oksidlanish va qaytarilish elektrolitda sodir bo'ladi.
Elektrolit tarkibidagi anion gidroksid ionlari bilan elektrondan voz kechish uchun va kation vodorod ioni bilan elektronni qabul qilish orqali kamayishi uchun raqobatlashganligi sababli, elektrolitni ehtiyotkorlik bilan tanlash kerak.

Elektrolitning kationi H+ dan past elektrod potentsialiga ega bo'lishi kerak. Har qanday elektrolizda elektrolit kationining elektrod potentsiali elektroliz qilinayotgan moddaning kationining elektrod potentsialidan kam bo'lishi va elektrolit anionining elektrod potentsiali anionning elektrod potentsialidan ko'p bo'lishi kerakligini doimo yodda tuting. elektrolizlanadigan modda.

Qayta tiklanadigan energiya manbalaridan foydalangan holda yashil vodorod ishlab chiqarish vodorod ishlab chiqarish uchun suvning elektroliziga etarlicha qiziqish uyg'otdi. CO2 emissiyasisiz qayta tiklanadigan energiya manbalaridan foydalangan holda suv elektrolizi vodorod ishlab chiqarish tezligini oshirishning istiqbolli usuli sifatida qaraladi. 2020 yilda dunyo boʻylab turli maqsadlarda, jumladan, neftni qayta ishlash, ammiak (NH3) (Haber jarayoni orqali) va metanol (CH3OH) (uglerod oksidi [CO] ni kamaytirish orqali) ishlab chiqarish va shu kabilar uchun taxminan 87 million tonna vodorod ishlab chiqarilgan. transport yoqilg'isi. Vodorodga boʻlgan talab 2050-yilga borib 500-680 million MT ga yetishi kutilmoqda. Vodorod ishlab chiqarish bozori 2020 yildan 2021 yilgacha 130 milliard dollarga baholangan va 2030 yilgacha yillik 9,2 foizga oʻsishi kutilmoqda. Ammo bir narsa bor: Hozirgi vodorod ishlab chiqarishning 95% dan ortig'i fotoalbom yoqilg'ilarga asoslangan bo'lib, juda oz qismi "yashil". Bugungi kunda vodorod ishlab chiqarish global tabiiy gazning 6 foizini va ko'mirning 2 foizini iste'mol qiladi. Shunga qaramay, yashil vodorod ishlab chiqarish texnologiyalari mashhurlik kasb etmoqda.

Elektroliz - bu suvni H2 va O2 ga bo'lish uchun elektr energiyasidan foydalanadigan jarayon. O'tkazuvchan yo'l orqali elektronlar oqimi, masalan, sim, elektr nima. Ushbu yo'l sxema deb nomlanadi. Elektronlar anod va katod o'rtasidagi elektr potentsial farqi tufayli harakatlanadi. Anod ko'proq elektronga ega va elektronlar to'planishi tufayli beqarorroq. Elektronlar farqni yo'q qilish uchun o'zlarini qayta tartibga solishni xohlaydi. Elektronlar bir-birini itaradi va elektronlari kamroq bo'lgan joyga o'tishga harakat qiladi. Bu katod.
Toza suv elektr tokini o‘tkazmasligi sababli suvning bo‘linishi sekin kechadigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyasidir.

Kimyo
Elektrolizatorda quvvat manbaiga ulangan bitta katod va bitta anod mavjud. Elektronlar nima bo'lishidan qat'i nazar, har doim anoddan katodga oqib o'tadi. Katod har doim pasayish sodir bo'ladigan joyda bo'ladi, shuning uchun elektronlar u erda bo'lishi kerak. Oksidlanish - elektronlarning yo'qolishi va qaytarilish - elektronlarning ko'payishi.
Qisqacha aytganda, manfiy zaryadlangan katodda qaytarilish reaktsiyasi sodir bo'ladi, katoddan elektronlar (e-) vodorod kationlariga vodorod gazini hosil qilish uchun beriladi.
Katod (qaytarilish):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Musbat zaryadlangan anodda oksidlanish reaktsiyasi sodir bo'lib, kislorod gazini hosil qiladi va kontaktlarning zanglashiga olib kirish uchun anodga elektronlar beradi.
Anod (oksidlanish): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Ushbu reaktsiyalarning kombinatsiyasi natijasida hosil bo'ladi:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 katodda, O2 esa anodda hosil bo'ladi.
Suvni elektroliz qilish uchun minimal potentsial farq 1,23 voltni talab qiladi, ammo bu kuchlanishda atrof-muhitdan tashqi issiqlik talab qilinadi.

Suv elektrolizining bipolyar xujayralari to'plami elektr seriyali ko'plab individual elektrokimyoviy hujayralardan iborat. Amalda, endigina to'xtatilgan suv elektrolizi xujayralari stakalari har bir hujayra ichida qolgan vodorod va kislorod qoldiqlari tufayli sezilarli elektr zaryadini saqlab qolishi mumkin. Agar yolg'iz qolgan bo'lsak, bu qoldiq elektrokimyoviy zaryadning tarqalishi uchun ko'p soatlar ketishi mumkin. Tizimga xizmat ko'rsatish va texnik xizmat ko'rsatish xodimlari, agar operatsiyadan so'ng darhol ushbu hujayralar to'plamiga xizmat ko'rsatish yoki almashtirishga harakat qilishsa, juda ehtiyot bo'lishlari kerak. Misol uchun, kalit kabi metall asbob tasodifan musbat oqim terminal plitasi va tuproqli metall qo'llab-quvvatlash ramkasi o'rtasidagi bo'shliqni bartaraf qilishi mumkin, bu esa kiruvchi natija sifatida shikastlanish va shikastlanish bilan katta oqim yoki elektr yoyini chizishi mumkin. Tegishli izolyatsiyalovchi himoya vositalarini kiymagan xodimlar ham xavf ostida.

Texnik xizmat ko'rsatish va xizmat ko'rsatish xodimlari uchun eng yaxshi amaliyot bu hujayralar to'plamidan xavfsizlik himoyasi va elektr ulanishlarini olib tashlashdan oldin hujayralar stackida muhim elektr zaryadi qolmasligini tekshirishdir. Xodimlarga hujayralar to'plamining zaryadsizlanganligini tekshirish uchun hujayra stack kuchlanishini o'lchash tavsiya etiladi. Ba'zi hollarda, xizmat ko'rsatuvchi xodimlar qo'shimcha himoya sifatida zaryadsizlangan hujayralar to'plami bo'ylab yuqori oqim qisqa tutashuv rezistoridan iborat to'g'ri ishlab chiqilgan xizmat ko'rsatish vositasini qo'llashi mumkin.

Mahsulotlar Xitoyning barcha hududlarida sotiladi va butun dunyo mamlakatlariga eksport qilinadi. Ular AQSh, Germaniya, Marokash, Keniya, Saudiya Arabistoni, Vetnam, Jazoir, Hindiston, Tanzaniya va Tayvan kabi 20 dan ortiq mamlakat va mintaqalarda sotilgan. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group va boshqa taniqli korxonalar kabi taniqli korxonalarni muvaffaqiyatli taqdim etdi. Vulanchabu, Xaykou, Xaynan, Xaynan Xaykou, Yunnan Kunming va boshqalar kabi ko'plab yashil vodorod vodorod gidrogenatsiya stantsiyalari yashil va vodorod ishlab chiqarish loyihalarini taqdim etadi.