Elektrolitik sudan hidrojen üretimi için üç teknik yol - alkalin, PEM ve katı oksit elektrolizörler
Prensip olarak, hidrojen üretimi için suyun elektrolizi, su moleküllerinin bir doğru akımın etkisi altında sırasıyla katot ve anotta hidrojen ve oksijene ayrıştığı elektrokimyasal bir süreçtir. Reaksiyon prensibine bağlı olarak üç ana seçenek vardır: alkali su elektrolizi (ALK), proton değişim membranlı saf su elektrolizi (PEM) ve katı oksit su elektrolizi (SOEC). Hidrojen üretimi için alkali sulu elektroliz (ALK) ve proton değişim membranı (PEM) elektrolizi ticari olarak piyasaya sürülürken, katı oksit elektroliz laboratuvar geliştirme aşamasındadır.
Alkalin elektroliz (ALK): Alkali elektroliz, doğru akım altında hidrojen ve oksijen üretmek için suyu elektrolize etmek için elektrolit olarak KOH gibi bir alkali sulu çözelti ve diyafram olarak dokunmamış bir kumaş (flor veya flor klor polimer) kullanır. Gaz verimi akımla orantılıdır ve birim gaz verimi başına elektrik tüketimi elektroliz voltajı ve reaksiyon sıcaklığı ile ilişkilidir. Suyun teorik ayrışma voltajı 1,23V ve teorik güç tüketimi 2,95kWh/m3 iken, alkali su elektrolizinin gerçek güç tüketimi yaklaşık 5,5kWh/m3 ve elektrolizörün dönüştürme verimliliği yaklaşık %60'tır.
ALK, yaklaşık 100 yıldır ticari olarak temin edilebilmektedir ve teknoloji, 15-20 yıllık bir kullanım ömrü ile nispeten olgunlaşmıştır ve maliyeti, aynı boyuttaki bir PEM elektrolizörün maliyetinin yalnızca beşte biri kadardır.
Dezavantajları: büyük boyut, düşük verimlilik ve yavaş dinamik yanıt. 1) Değersiz metal katalizörlerin kullanılması nedeniyle yavaş reaksiyon hızı ve düşük akım yoğunluğu nedeniyle, bir alkalin elektrolizörün boyutu, aynı hidrojen üretimi ölçeği için bir PEM elektrolizöründen çok daha büyüktür. 2) Alkali çözelti çok yoğun bakım gerektirir ve bu nedenle sık bakım gerektirir. 3) Bir ALK elektrolizörün soğuk başlatma süresi, elektroliti ısıtmak için gereken güç tüketimi nedeniyle 1-2 saattir. 4) alkalin elektrolizörün dinamikleri yavaştır ve dalgalanan yenilenebilir enerji üretiminin iyi bir şekilde izlenmesine izin vermez. Ek olarak, hidrojen üretiminin saflığını sağlamak için alkalin elektrolizör, nominal gücünün %20'sinden daha yüksek bir güç seviyesini korumalıdır.
Proton değişim membranı (PEM) elektrolizörleri: Hidrojen üretimi için suyun PEM elektrolizi ve PEM yakıt hücresi iş akışları, birbirinin tersi süreçlerdir. Tipik bir PEM hücresinin ana bileşenleri, membran elektrotları (proton değişim membranı, katalitik katman, difüzyon katmanı), bipolar plakalar, epoksi reçine plakaları ve uç plakaları içerir. Katalitik katman, elektrokimyasal reaksiyonun çekirdeği olan bir katalizör, bir elektron transfer ortamı ve bir proton transfer ortamından oluşan üç fazlı bir arayüzdür. Proton değişim membranı, genellikle bir perflorosülfonik asit membranı olan katı bir elektrolit olarak kullanılır. katodu gaz üretmekten izole etmek, elektron transferini önlemek ve protonları transfer etmek.
Avantajlar: yüksek verimlilik, alkali solüsyon yok, küçük boyut, güvenlik ve güvenilirlik, iyi dinamik yanıt, vb. PEM elektroliz teknolojisinin karşılık gelen güç tüketimi yaklaşık 5,0kWh/m3'tür ve verimlilik yaklaşık %70'tir. ALK ile karşılaştırıldığında, PEM su elektroliz sistemleri alkali giderme gerektirmez. Aynı zamanda, PEM elektroliz hücreleri daha kompakt ve dinamiktir, bu da onları değişken yenilenebilir enerji kaynaklarıyla seri olarak kullanım için ideal hale getirir.
Dezavantaj: değerli metal kullanma ihtiyacı nedeniyle yüksek maliyet. Şu anda yalnızca iridyum ve rutenyum gibi değerli metaller katalizör olarak kullanılabilir. Katalizörün ve elektrolizörün malzeme maliyetini, özellikle katod ve anot elektrokatalizörlerinin değerli metal yüklemesini azaltmak ve elektrolizörün etkinliğini ve ömrünü iyileştirmek, hidrojen üretimi için PEM su elektrolizinin geliştirilmesinde önemli bir araştırma önceliğidir. .
Katı Oksit Elektroliz Cihazı (SOEC): yaklaşık 800°C'de çalışan bu, yaklaşık 80°C'de çalışan alkalin elektroliz ve PEM elektrolizi ile karşılaştırıldığında çok umut verici bir su elektroliz teknolojisidir. Hala geliştirmenin laboratuvar aşamasındadır. Yüksek sıcaklık SOEC için katot malzemesi genellikle Ni/YSZ (itriyum katkılı zirkonya) gözenekli sermettir ve anot malzemesi, gelecekte LSCF (lantanyum stronsiyum kobalt demir) olasılığı ile esas olarak kalkojenit oksittir. Ara elektrolit, bir YSZ oksijen iyonu iletkenidir. Elektroliz reaksiyonunun gerçekleştiği H2 ve O2-, elektrolit tabakasından anoda geçer ve burada O2 oluşturmak için elektron kaybeder. SOEC aynı zamanda SOEF'in ters işlemidir.
(1) Alkali su elektrolizinden ve PEM su elektrolizinden farklı olarak, yüksek sıcaklıkta katı oksit su elektrolizinde elektrolit malzeme olarak katı oksit kullanılır ve 800-1000°C'de çalışır. Hidrojen üretim sürecinin elektrokimyasal performansı önemli ölçüde iyileştirildi ve enerji kullanım verimliliği daha yüksek, ≥%90'a ulaştı; (2) Elektrolizör, değerli olmayan metal katalizörler kullanabilir ve tamamen seramik malzemelerden yapılmıştır, bu da ekipman korozyonu sorununu azaltır. Ekipmanların korozyon sorunu azalır.
Dezavantajları: zayıf dayanıklılık. Yüksek sıcaklık ve nem ortamı, elektrolizör için kararlı, uzun ömürlü ve çürümeye karşı dirençli malzeme seçimini sınırlandırarak, SOEC hidrojen üretim teknolojisi ve yaygın kullanımı için uygulama senaryolarının seçimini sınırlandırmaktadır.