Polimer elektrolit membran elektrolizi - Polymer electrolyte membrane electrolysis

Polimer elektrolit membran elektrolizi
PEMelektroliz.jpg
PEM elektroliz reaksiyonlarının diyagramı.
Tipik Malzemeler
Elektroliz Türü: PEM Elektroliz
Membran/diyafram stili katı polimer
Bipolar/ayırıcı plaka malzemesi Titanyum veya altın ve
platin kaplı titanyum
Anottaki katalizör malzemesi İridyum
Katottaki katalizör malzemesi Platin
Anot PTL malzemesi Titanyum
Katot PTL malzemesi Karbon kağıdı/karbon polar
Son Teknoloji Çalışma Aralıkları
hücre sıcaklığı 50-80C
yığın basıncı <30 bar
Akım yoğunluğu 0.6-2.0 mA / cm 2
hücre voltajı 1,75-2,20V
Güç yoğunluğu W / cm 4,4 2
Kısmi yük aralığı %0-10
Spesifik enerji tüketimi yığını 4,2-5,6 kWh / Nm 3
Spesifik enerji tüketim sistemi 4,5-7,5 kWh / Nm 3
Hücre voltajı verimliliği %57-69
Sistem hidrojen üretim hızı 30 Nm 3 / saat
Ömür boyu yığın <20.000 saat
Kabul edilebilir bozulma oranı <14 µV/saat
Sistem ömrü 10-20 bir

Polimer elektrolit membran (PEM) elektrolizi , protonların iletilmesinden, ürün gazlarının ayrılmasından ve elektrotların elektrik yalıtımından sorumlu olan bir katı polimer elektrolit (SPE) ile donatılmış bir hücrede suyun elektrolizidir. PEM elektrolizörü, şu anda alkalin elektrolizörü rahatsız eden kısmi yük, düşük akım yoğunluğu ve düşük basınç çalışması sorunlarının üstesinden gelmek için tanıtıldı. Bir proton değişim zarı içerir .

Elektroliz , enerji taşıyıcısı olarak kullanılacak hidrojen üretimi için önemli bir teknolojidir . Hızlı dinamik tepki süreleri, geniş çalışma aralıkları ve yüksek verimlilikleri ile su elektrolizi, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla birlikte enerji depolaması için umut verici bir teknolojidir.

Tarih

Elektroliz için bir PEM'in kullanımı ilk olarak 1960'larda General Electric tarafından tanıtıldı ve alkalin elektroliz teknolojisindeki dezavantajların üstesinden gelmek için geliştirildi. Başlangıç performansları 1.0 A / cm 'de 1.88 V vermiştir 2 ile karşılaştırıldığında, oldu alkalin elektroliz çok verimli olduğu zaman, teknoloji. 1970'lerin sonunda alkalin elektrolitik 0.215 A / cm'de 2.06 V çevresinde performansları rapor edildi 2 böylece su elektroliz için polimer elektrolit 1970'lerin sonlarında ve 1980'lerin başında ani bir ilgi isteyen.

İlk araştırmalardan bugüne kadar olan tarihsel performansın kapsamlı bir incelemesi, Carmo ve diğerleri tarafından 2013 incelemesinde birçok çalışma koşuluyla kronolojik sırayla bulunabilir.

PEM elektrolizinin avantajları

PEM elektrolizinin en büyük avantajlarından biri, yüksek akım yoğunluklarında çalışabilmesidir. Bu, özellikle rüzgar ve güneş gibi çok dinamik enerji kaynaklarıyla birleştirilmiş sistemler için, enerji girişindeki ani artışların aksi takdirde yakalanmamış enerjiyle sonuçlanacağı düşük işletme maliyetleriyle sonuçlanabilir. Polimer elektrolit, PEM elektrolizörünün çok ince bir membran (~100-200 μm) ile çalışmasına izin verirken, yine de yüksek basınçlara izin vererek, esas olarak protonların membran boyunca iletilmesinden (0.1 S/cm) kaynaklanan düşük omik kayıplara neden olur ve bir sıkıştırılmış hidrojen çıkışı.

Polimer elektrolit membran, katı yapısı nedeniyle, çok yüksek ürün gaz saflığı ile sonuçlanan düşük bir gaz geçiş hızı sergiler. Yüksek bir gaz saflığının korunması, depolama güvenliği ve bir yakıt hücresinde doğrudan kullanım için önemlidir. H için güvenlik sınırları 2 O'da 2 , standart koşullar altındadır 4  mol% , H 2 O 2 .

Bilim

Bir elektrolizör, elektriği ve suyu hidrojen ve oksijene dönüştürmek için elektrokimyasal bir cihazdır, bu gazlar daha sonra kullanılmak üzere enerji depolamak için bir araç olarak kullanılabilir. Bu kullanım, rüzgar türbinleri ve güneş pilleri gibi dinamik elektrik kaynaklarından elektrik şebekesi stabilizasyonundan yakıt hücreli araçlar için yakıt olarak yerel hidrojen üretimine kadar değişebilir . PEM elektrolizörü , elektrotları elektriksel olarak yalıtırken protonları anottan katoda iletmek için bir katı polimer elektrolit (SPE) kullanır . Altında , standart koşullar entalpi su oluşumu için gerekli olan 285.9 kJ / mol'dür. Sürekli bir elektroliz reaksiyonu için gerekli enerjinin bir kısmı termal enerji ile sağlanır ve geri kalanı elektrik enerjisi ile sağlanır.

Reaksiyonlar

Çalışan bir elektrolizörün açık devre voltajının gerçek değeri, hücre/yığın tasarımının termal enerji girdilerini nasıl kullandığına bağlı olarak 1,23 V ile 1,48 V arasında olacaktır. Bununla birlikte, bunu belirlemek veya ölçmek oldukça zordur, çünkü çalışan bir elektrolizör ayrıca dahili elektrik dirençlerinden , proton iletkenliğinden, hücre boyunca kütle taşınımından ve birkaçını saymak gerekirse katalizör kullanımından kaynaklanan başka voltaj kayıpları yaşar .

anot reaksiyonu

Bir PEM elektrolizörünün anot tarafında meydana gelen yarı reaksiyon, genel olarak Oksijen Evrim Reaksiyonu (OER) olarak adlandırılır. Burada sıvı su reaktanı, sağlanan suyun oksijene, protonlara ve elektronlara oksitlendiği katalizöre verilir.

katot reaksiyonu

Bir PEM elektrolizörünün katot tarafında meydana gelen yarı reaksiyon, yaygın olarak Hidrojen Evrim Reaksiyonu (HER) olarak adlandırılır. Burada sağlanan elektronlar ve zardan geçen protonlar gaz halinde hidrojen oluşturmak için birleştirilir.

Aşağıdaki çizim, bir PEM elektrolizörünün tam reaksiyonu ile birlikte tek tek yarı reaksiyonları göstererek, PEM elektrolizinin nasıl çalıştığının basitleştirilmesini göstermektedir. Bu durumda elektrolizör hidrojen üretimi için bir güneş paneli ile birleştirilir , ancak güneş paneli herhangi bir elektrik kaynağı ile değiştirilebilir.

PEM elektrolizör hücresi diyagramı ve temel çalışma prensipleri.

Termodinamiğin ikinci yasası

Gereğince termodinamiğin ikinci yasası entalpi reaksiyonun geçerli:

Reaksiyonun Gibbs serbest enerjisi nerede , reaksiyonun sıcaklığı ve sistemin entropisindeki değişimdir .

Termodinamik enerji girdileri ile genel hücre reaksiyonu daha sonra şöyle olur:

Yukarıda gösterilen termal ve elektrik girdileri, bir elektroliz reaksiyonu elde etmek için elektrikle sağlanabilecek minimum enerji miktarını temsil eder. Reaksiyona maksimum ısı enerjisi miktarının (48.6 kJ/mol) sağlandığı varsayılarak, tersinir hücre voltajı hesaplanabilir.

Açık devre voltajı (OCV)

nerede elektronların sayısıdır ve bir Faraday sabiti . Tersinmezliğin olmadığı ve tüm termal enerjinin reaksiyon tarafından kullanıldığı varsayılarak hücre voltajının hesaplanması, alt ısıtma değeri (LHV) olarak adlandırılır. Daha yüksek ısıtma değerini (HHV) kullanan alternatif formülasyon, elektroliz reaksiyonunu yürütmek için gereken enerjinin tamamının, daha yüksek bir tersinir hücre voltajıyla sonuçlanan gerekli enerjinin elektrik bileşeni tarafından sağlandığı varsayılarak hesaplanır. HHV kullanılırken voltaj hesaplamasına termonötr voltaj denir .

Gerilim kayıpları

Yakıt hücreleri gibi elektroliz hücrelerinin performansı, tipik olarak, hücre voltajının akım yoğunluğuna karşı çizilmesiyle elde edilen polarizasyon eğrilerinin çizilmesiyle karşılaştırılır. Bir PEM elektrolizöründe artan voltajın birincil kaynakları (aynısı PEM yakıt hücreleri için de geçerlidir ), Ohmik kayıplar , aktivasyon kayıpları ve kütle taşıma kayıpları olmak üzere üç ana alanda kategorize edilebilir . Bir PEM yakıt hücresi ile bir PEM elektrolizörü arasındaki işlemin tersine çevrilmesi nedeniyle, bu çeşitli kayıplar için etki derecesi iki işlem arasında farklıdır.

Bir PEM elektroliz sisteminin performansı, tipik olarak, hücre akım yoğunluğuna karşı aşırı potansiyeli çizerek karşılaştırılır . Bu, esasen, hidrojen ve oksijen üretmek için gereken hücre alanının santimetre karesi başına gücü temsil eden bir eğri ile sonuçlanır . PEM yakıt hücresinin tersine , PEM elektrolizörü ne kadar iyi olursa , belirli bir akım yoğunluğunda hücre voltajı o kadar düşük olur . Aşağıdaki şekilde bir simülasyon sonucu Forschungszentrum Jülich 25 cm 2 gerilim kaybı ve bir dizi için katkıları birincil kaynaklarını gösteren termonötral işlemi altında tek PEM elektrolitik akım yoğunlukları .

PEM elektroliz hücresi çalışmasına atfedilen çeşitli kayıpları gösteren polarizasyon eğrisi.

Ohmik kayıplar

Ohmik kayıplar, hücre bileşenlerinin iç direnci tarafından elektroliz işlemine eklenen bir elektriksel aşırı potansiyeldir. Bu kayıp daha sonra elektroliz reaksiyonunu sürdürmek için ek bir voltaj gerektirir , bu kaybın tahmini Ohm yasasını izler ve çalışan elektrolizörün akım yoğunluğu ile doğrusal bir ilişkiye sahiptir .

Elektrik direncinden kaynaklanan enerji kaybı tamamen kaybolmaz. Dirençten kaynaklanan voltaj düşüşü, Joule ısıtması olarak bilinen bir işlem yoluyla elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüştürülmesiyle ilişkilidir . Bu ısı enerjisinin çoğu, reaktant su kaynağı ile taşınır ve çevreye kaybolur, ancak bu enerjinin küçük bir kısmı daha sonra elektroliz işleminde ısı enerjisi olarak yeniden yakalanır. Geri kazanılabilen ısı enerjisi miktarı, sistem çalışmasının ve hücre tasarımının birçok yönüne bağlıdır.

Protonların iletiminden kaynaklanan Ohmik kayıplar , Joule ısıtma etkisi olmadan da Ohm yasasını izleyen verim kaybına katkıda bulunur . PEM'in proton iletkenliği , zarın hidratasyonuna, sıcaklığına, ısıl işlemine ve iyonik durumuna çok bağlıdır.

Faradaik kayıplar ve geçiş

Faradaik kayıplar, katodik gaz çıkışında hidrojene yol açmadan sağlanan akımla ilişkili verimlilik kayıplarını tanımlar. Üretilen hidrojen ve oksijen, çaprazlama olarak adlandırılan zardan geçebilir. Elektrotlarda her iki gazın karışımları ortaya çıkar. Katotta oksijen, katodik katalizörün platin yüzeyinde hidrojen ile katalitik olarak reaksiyona sokulabilir. Anotta, hidrojen ve oksijen iridyum oksit katalizöründe reaksiyona girmez. Bu nedenle, oksijende hidrojenin patlayıcı anodik karışımlarından kaynaklanan güvenlik tehlikeleri ortaya çıkabilir. Hidrojen üretimi için sağlanan enerji, katotta oksijen ile reaksiyon nedeniyle hidrojen kaybolduğunda ve katottan membran boyunca anoda nüfuz etme karşılık geldiğinde kaybolur. Dolayısıyla, kaybedilen ve üretilen hidrojen miktarının oranı, faradaik kayıpları belirler. Elektrolizörün basınçlı çalışmasında, geçiş ve ilişkili faradaik verim kayıpları artar.

Su elektrolizi sırasında hidrojen sıkıştırması

Basınçlı elektrolizden kaynaklanan hidrojen oluşumu, mekanik izotropik sıkıştırmaya kıyasla verimlilik açısından tercih edilen bir izotermal sıkıştırma işlemiyle karşılaştırılabilir. Ancak, söz konusu faradaik kayıpların katkıları işletme basınçları ile birlikte artmaktadır. Bu nedenle, sıkıştırılmış hidrojen üretmek için, elektroliz sırasında yerinde sıkıştırma ve gazın müteakip sıkıştırması, verimlilik hususları altında düşünülmelidir.

PEM elektroliz sistemi çalışması

PEM yüksek basınçlı elektrolizör sistemi

PEM elektrolizörünün sadece son derece dinamik koşullarda değil, aynı zamanda kısmi yük ve aşırı yük koşullarında da çalışabilmesi, bu teknolojiye son zamanlarda yenilenen ilginin nedenlerinden biridir. Bir elektrik şebekesinin talepleri nispeten istikrarlı ve öngörülebilirdir, ancak bunları rüzgar ve güneş gibi enerji kaynaklarıyla birleştirirken, şebekenin talebi nadiren yenilenebilir enerji üretimiyle eşleşir. Bu, rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerjinin bir tampona sahip olması veya yoğun olmayan enerjiyi depolama aracı olması anlamına gelir. 2021 itibariyle en büyük PEM elektrolizörü 20 MW'dır.

PEM Verimliliği

PEM elektrolizinin elektriksel verimi belirlenirken daha yüksek ısı değeri (HHV) kullanılabilir. Bunun nedeni, katalizör tabakasının su ile buhar olarak etkileşmesidir. PEM elektrolizörleri için proses 80 °C'de çalıştığından, atık ısı, buharı oluşturmak için sistem aracılığıyla yeniden yönlendirilebilir, bu da daha yüksek bir genel elektrik verimliliği ile sonuçlanır. Bu elektrolizörlerdeki işlem sıvı halde su gerektirdiğinden ve hidrojen ve oksijen atomlarını bir arada tutan bağın kırılmasını kolaylaştırmak için alkalinite kullandığından, alkali elektrolizörler için daha düşük ısı değeri (LHV) kullanılmalıdır. Buhar girdiden ziyade çıktı olduğu için yakıt pilleri için daha düşük ısı değeri de kullanılmalıdır.

PEM elektrolizi, reaksiyonu yürütmek için kullanılan elektrik birimi başına üretilen hidrojen açısından, çalışma uygulamasında yaklaşık %80'lik bir elektriksel verimliliğe sahiptir. PEM elektrolizinin veriminin 2030'dan önce %82-86'ya ulaşması ve bu alandaki ilerleme hızla devam ederken dayanıklılığı da koruması bekleniyor.

Ayrıca bakınız

Referanslar