Электролизер для воды: принцип работы, виды и применение

Что такое электролизер для воды. Как работает устройство для электролиза воды. Какие бывают типы электролизеров. Где применяются электролизеры воды в промышленности и быту. Можно ли сделать электролизер своими руками.

Что такое электролизер для воды и как он работает

Электролизер для воды — это устройство, которое позволяет разделить молекулы воды на водород и кислород с помощью электрического тока. Принцип работы электролизера основан на процессе электролиза.

Основные компоненты простейшего электролизера:

• Два электрода (катод и анод)
• Емкость с водой
• Источник постоянного тока

При подаче электрического тока на электроды в воде начинается процесс электролиза:

1. На катоде выделяется газообразный водород
2. На аноде выделяется газообразный кислород
3. Вода разделяется на составляющие элементы

Чем выше сила тока, тем интенсивнее идет процесс электролиза и больше газов выделяется на электродах. Для увеличения эффективности в воду часто добавляют электролит, например, поваренную соль.

Основные виды электролизеров для воды

Существует несколько типов электролизеров, которые различаются по конструкции и принципу действия:

1. Щелочные электролизеры

Используют раствор щелочи (например, гидроксида калия) в качестве электролита. Имеют простую конструкцию и низкую стоимость, но невысокий КПД.

2. Твердополимерные электролизеры

В качестве электролита применяется твердая полимерная мембрана. Обладают высокой эффективностью, но более дорогие в производстве.

3. Высокотемпературные электролизеры

Работают при температурах 700-1000°C. Позволяют достичь высокого КПД, но требуют специальных материалов и сложны в эксплуатации.

4. Фотоэлектролизеры

Используют солнечную энергию для процесса электролиза. Экологичны, но пока имеют низкую эффективность.

Где применяются электролизеры воды

Области применения электролизеров для воды весьма разнообразны:

Промышленное использование:

• Получение чистого водорода и кислорода
• Производство хлора и щелочей
• Очистка сточных вод
• Металлургические процессы

Энергетика:

• Хранение энергии в виде водорода
• Топливные элементы на водороде

Транспорт:

• Заправка водородных автомобилей
• Производство экологичного топлива

Бытовое применение:

• Очистка и обеззараживание воды
• Получение «живой» и «мертвой» воды

Можно ли сделать электролизер для воды своими руками

Простейший электролизер для воды вполне реально сделать самостоятельно в домашних условиях. Для этого потребуются:

• Пластиковая или стеклянная емкость
• Два электрода (например, из нержавеющей стали)
• Источник постоянного тока (батарейки или блок питания)
• Провода для соединения

Порядок изготовления:

1. Закрепите электроды на противоположных стенках емкости
2. Залейте емкость водой с добавлением электролита (соли)
3. Подключите электроды к источнику тока
4. Наблюдайте выделение пузырьков газа на электродах

Такой самодельный электролизер подойдет для демонстрации процесса электролиза. Однако для серьезных целей рекомендуется использовать профессиональное оборудование.

Преимущества и недостатки электролизеров воды

Использование электролизеров для получения водорода и кислорода из воды имеет свои плюсы и минусы:

Преимущества:

• Экологичность процесса
• Высокая чистота получаемых газов
• Возможность использования возобновляемых источников энергии
• Простота конструкции и эксплуатации

Недостатки:

• Высокие энергозатраты
• Необходимость очистки воды перед электролизом
• Низкий КПД по сравнению с другими методами получения водорода
• Высокая стоимость промышленных установок

Несмотря на недостатки, электролизеры воды остаются перспективной технологией для производства экологически чистого водородного топлива.

Перспективы развития технологии электролиза воды

Ученые и инженеры продолжают совершенствовать конструкцию электролизеров для повышения их эффективности и снижения стоимости. Основные направления развития:

• Разработка новых материалов для электродов и мембран
• Повышение рабочих температур и давлений
• Интеграция с возобновляемыми источниками энергии
• Создание компактных бытовых электролизеров
• Применение нанотехнологий для увеличения площади электродов

Ожидается, что в будущем электролизеры станут важным элементом водородной энергетики и помогут в решении экологических проблем.

Электролизер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение

Электролизер – это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока. Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются. В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.

Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров. Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий. На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.

Что это

Электролизер работает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов. Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие. Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.

Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.

Виды и типы

По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:

1. Прессованными обожженными анодами.
2. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также боковым токопроводом.
3. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также верхним токопроводом.

Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:

• Сухие.
• Проточные.
• Мембранные.
• Диафрагменные.

Устройство

Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

• Электропроводящий корпус.
• Катод.
• Анод.
• Патрубки, предназначенные для ввода электролита, а также вывода веществ, полученных в ходе реакции.

Электроды выполняются герметичными. Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов. На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).

В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности. Так электролизер для выделения магния и хлора требует ванну, выполненную из стенок торцевого и продольного вида. Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.

Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.

Принцип действия

В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).

При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации. В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки. Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.

Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности. Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны. Эта прослойка может переносить протоны и ионы, в том числе разделять электроды и конечные продукты электролиза.

Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.

Применение

Электролизер широко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:

• Добычи цветных металлов (магний, алюминий).
• Получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора).
• Очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов).
• Обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов).

В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.

Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.

Похожие темы:

Химики собрали дешевый электролизер на солнечных батареях

Микрофотография наностержней оксида кобальта

Liang et al / ACS Nano, 2020

Американские и китайские химики разработали новый солнечный электролизер — устройство для получения водорода из воды при помощи солнечной энергии. Ученые намеренно отказались от использования дорогостоящих материалов: в основе электролизера — катализаторы из наностержней оксида кобальта и перовскитный солнечный элемент, которые заключены в упаковочную пленку. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород — 6,7 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале

ACS Nano.

Один из главных недостатков солнечных элементов — прерывистый характер работы. Мощность, выдаваемая солнечной электростанцией, зависит от сезона, времени суток и погоды. Поэтому для эффективного использования солнечной энергетики нужно научиться запасать энергию в светлое время суток, чтобы затем использовать ее, например, ночью. 

Проблему можно решить совмещением двух технологий: фотовольтаики и электрокаталитического получения водорода. В таком устройстве электричество, которое выработала солнечная батарея, сразу же используется для выделения водорода из воды путем электролиза. Далее водород можно использовать для получения электричества в темное время суток, а также хранить и перевозить. 

Энергия в таком устройстве преобразуется дважды: сначала энергия падающих фотонов переходит в электрическую энергию, а затем — в энергию химических связей молекулы водорода. Потери происходят на обоих этапах, поэтому эффективность таких устройств пока не очень высока: лучшие показывают эффективность в 16–19 процентов.

Обычно такие устройства изготавливают из кремниевых солнечных элементов, а в качестве катализаторов используют металлы платиновой группы — платину, иридий и рутений — и их соединения. Все эти материалы достаточно дороги, что затрудняет дальнейшее масштабирование солнечно-водородных систем.

Химики под руководством Цзюнь Лоу (Jun Lou) из Университета Райса впервые разработали солнечный электролизер, в котором не используются дорогостоящие материалы: солнечный элемент сделан из свинцово-галогенидного перовскита CH₃NH₃PbI₃, а катализатор для электролиза воды — из наностержней оксида кобальта.

Схема электролизера

Liang et al / ACS Nano, 2020

Перовскит выбрали еще и потому, что такие элементы демонстрируют более высокие значения напряжения холостого хода, чем кремниевые — в случае электролиза воды это преимущество очень важно. Наностержни оксида кобальта, в свою очередь, — это материал с большой удельной площадью поверхности, который наносят на электроды для улучшения эффективности электролиза. 

Наностержни синтезировали гидротермальным методом из раствора нитрата кобальта и мочевины, а затем дополнительно допировали фосфором: для этого их нагрели в печи вместе с гидрофосфатом натрия при 300 градусах Цельсия. Добавка фосфора улучшает электрокаталитическую активность стержней, позволяя проводить электролиз при более низких значениях потенциала.

Авторы намеренно отказались от использования дорогостоящих и редких материалов везде, где это было возможно. Например, в перовскитном солнечном элементе они заменили золотой катод на катод из угля, а также отказались от полимерного слоя между активным слоем и катодом. Этот слой изготавливают из полимера, который пропускает только дырки, но не пропускает электроны. Синтез подобных полимеров очень сложен, поэтому отказ от них делает устройство значительно дешевле.

Кроме того авторы впервые поместили перовскитный солнечный элемент непосредственно в раствор электролита. Это позволило снизить омические потери и добиться лучшей эффективности устройства. Вода для перовскитных солнечных элементов очень опасна — даже небольшие ее количества воды приводят к необратимой деградации таких устройств. Поэтому солнечный элемент нужно было надежно инкапсулировать — здесь авторы тоже не отступили от своих принципов и использовали коммерчески доступную упаковочную пленку Surlyn. Их эксперименты показали, что, нагрев такую пленку до 150 градусов Цельсия в течение нескольких секунд, можно получить полностью герметичное покрытие, которое надежно предохраняет солнечный элемент от влаги.

Эффективность преобразования солнечного света в электричество составила 10,6 процентов, а суммарная эффективность электролизера — 6,7 процентов. Это пока меньше, чем у лучших электролизеров на кремнии и металлах платиновой группы, однако авторы полагают, что в будущем их электролизер можно будет улучшить — например, используя другой состав перовскитного материала или экспериментируя с составом катализатора. 

Фотоэлектролиз планируют использовать в том числе для обеспечения энергией космических кораблей. Для этих целей голландские химики разработали и испытали ячейку, которая может работать в условиях микрогравитации.

Наталия Самойлова

Устройство для электролиза воды: изучение и применение

Актуальность работы

В настоящее время электролизер или активатор воды можно купить в магазине медтехники. В интернете достаточно инструкций и видеороликов по самостоятельному изготовлению аналогичных устройств, а также рецептов применения активированной воды. Возможность изучить процесс электролиза, собрать устройство для электролиза воды и исследовать свойства полученных растворов делает эффект электролиза интересным для изучения.

В настоящее время нет официально подтверждённых результатов использования «живой» и «мёртвой» воды. Изучение и анализ свойств жидкостей, полученных в результате электролиза обычной воды, поможет разобраться в том, насколько действительны утверждения о её особенных свойствах. Для этого необходимо собрать устройство для электролиза воды и с помощью приборов проверить характеристики полученных растворов.

Для доказательства бактерицидных свойств жидкостей необходимо провести опыты по воздействию католита и анолита на живые организмы.

Цель

Собрать устройство для электролиза воды.

Задачи

• Изучить понятие электролиза.
• Узнать, что такое католит и анолит, каковы их физические свойства.
• Изучить электрическую схему устройства для электролиза воды.
• Подобрать необходимые материалы и инструменты для устройства.
• Провести испытания и собрать модель устройства.
• Изучить свойства растворов, полученных в результате электролиза воды.

Описание работы

По итогам работы собран электролизер, после ряда экспериментов получены растворы католита и анолита. Проведены опыты, доказывающие бактерицидные свойства растворов.

Результаты

Выводы

1.      Электролиз воды − физико-химический процесс выделения на электродах ионов водорода и гидроксида. В результате образуется католит-раствор с щелочными свойствами и анолит-раствор с кислотными свойствами.

2.      Для процесса электролиза необходим электролизер − устройство, состоящее из двух электродов, соединённых водяным мостом, и диодного моста, преобразующего переменный ток сети в постоянный.

3.      Получение католита и анолита с заявленными свойствами − нестабильный и долгий процесс.

4.      В результате проведённых опытов доказано, что католит и анолит обладают бактерицидными свойствами.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

Для сборки электролизера были использованы диодный мост с параметрами 10 Ампер и 1000 Вольт, пластины для электродов, капельница и две пластиковые ёмкости.

Для проверки результатов электролиза использован компактный измеритель кислотности (рН-метр) модель РН-107, измеритель окислительно-восстановительного потенциала, модель ORP-2069, солемер (прибор для измерения уровня минерализации) TDS-метр Е-1. Для изучения результатов опытов с микроорганизмами использован цифровой микроскоп.

Награды/достижения

1. Московский городской конкурс, межрайонный этап − призёр.
2. Городской конкурс проектов «Юные техники и изобретатели», городской этап − победитель.
3. Конкурс «ТехноЯрмарка», Московский государственный педагогический университет − I место.

Сотрудничество с вузом при создании работы

—

Перспективы развития результатов работы

Изучение растворов католита и анолита и дальнейшее использование является перспективным по причине экологической безопасности для природы и человека. Открытие новых свойств обычной воды, активированной при помощи электрического тока, без участия химических препаратов, может быть интересным для любой отрасли промышленности.

Особое мнение

«Участвую в проекте третий год, очень нравятся различные форматы проведения.

На конференции всегда позитивная атмосфера, профессиональное и дружелюбное жюри, внимательное отношение к участникам. Проект развивается и помогает расти и развиваться мне»

Проблема зеленого водорода, о которой никто не говорит

Гигаватт за гигаваттом зеленой водородной мощности планируется построить в Европе, Азии и Австралии. По мнению сторонников этой технологии, зеленый водород — тот, который вырабатывается электролизом на солнечных батареях, ветре и других возобновляемых источниках энергии, — является лучшим способом обезуглероживания тяжелых загрязнителей окружающей среды. Сейчас много говорят о снижении стоимости солнечной и ветровой энергии и о том, как они очень скоро сделают зеленый водород жизнеспособным. Кажется, никто не хочет говорить о воде. Электролиз — это процесс расщепления воды на составляющие элементы — водород и кислород — с помощью электрического тока. Этот процесс осуществляется в установке, называемой электролизером. Когда сторонники водорода говорят о блестящем будущем технологии, они сосредотачиваются на затратах, связанных с электричеством, необходимым для электролиза. Но для электролиза, кроме электричества, нужна вода.

Тонны воды — буквально.

Для производства одной тонны водорода путем электролиза требуется в среднем девять тонн воды. Но чтобы получить эти девять тонн воды, недостаточно просто перенаправить течение ближайшей реки. Вода, которую электролизер расщепляет на составные элементы, требует очистки.

В свою очередь, процесс очистки воды довольно расточителен. Системам очистки воды обычно требуется около двух тонн загрязненной воды для производства одной тонны очищенной воды. Другими словами, на одну тонну водорода на самом деле нужно не девять, а 18 тонн воды. С учетом потерь соотношение приближается к 20 тоннам воды на 1 тонну водорода.

Говоря об очистке воды, химики-органики объясняют, что самый простой способ сделать это — дистиллировать. Этот метод дешев, потому что для него требуется только электричество, но он не быстрый. Что касается стоимости электроэнергии, то для дистилляции литра воды требуется 2,58 мегаджоулей энергии, что в среднем составляет 0,717 кВтч.

На первый взгляд это не так уж и много, но давайте посмотрим, как все выглядит в большем масштабе. Германия — страна с самыми амбициозными планами в отношении зеленого водорода. Стоимость электроэнергии для небытовых потребителей в Германии в прошлом году составляла в среднем 0,19 доллара (0,16 евро) за кВтч. Таким образом, при уровне потребления энергии 0,717 кВтч перегонка литра воды будет стоить 0,14 доллара (0,1147 евро). За тонну воды это будет 135,14 доллара (114,72 евро).

Однако для производства одной тонны водорода для электролиза требуется 18 тонн воды, не считая потерь во время процесса. Это означает, что стоимость очистки воды для производства тонны водорода составит 2432 доллара (2065 евро). Это основано на предположении, что вода будет очищаться самым дешевым из доступных методов. Существуют и другие, гораздо более быстрые, но более дорогие методы с использованием ионообменных смол или молекулярного сита. Другие альтернативы дистилляции, по мнению химиков, на данном этапе ненадежны.

Таким образом, обеспечение правильного типа воды для гидролиза стоит денег, и хотя 2400 долларов за тонну водорода могут показаться не такими уж большими, стоимость очистки воды — не единственные связанные с водой расходы в технологии, которая направлена ​​на получение водорода из возобновляемых источников. Вода, подаваемая в электролизер, не только чистая, но и транспортируется к нему.

Транспортировка тонны за тонной воды к месту установки электролизера означает большие затраты на логистику. Чтобы их сократить, имеет смысл выбрать место, где много воды, например, у реки или моря, или, в качестве альтернативы, рядом с водоочистными сооружениями. Это ограничивает выбор мест, подходящих для крупных электролизеров. Но поскольку электролизер, чтобы быть экологически чистым, должен получать энергию от возобновляемых источников энергии, он также должен располагаться поблизости от солнечной или ветряной электростанции. Их, как мы знаем, невозможно построить где-либо; солнечные фермы наиболее рентабельны в местах с большим количеством солнечного света, а ветряные электростанции лучше всего работают в местах с сильным ветром.

Излишне говорить, что эти места, как правило, не расположены близко к водным путям, за исключением морского ветра, который кажется идеальным для производства зеленого водорода. К сожалению, морской ветер также является наиболее затратной формой из трех возобновляемых источников — солнечной энергии, берегового ветра и морского ветра — обычно упоминаемых в контексте производства зеленого водорода. По данным Rystad Energy, капитальные затраты на оффшорную ферму в два раза выше, чем у ее наземного аналога, и в четыре раза выше, чем затраты на сопоставимую солнечную установку.

Не все затраты, связанные с производством водорода из возобновляемых источников энергии, являются затратами на эти возобновляемые источники энергии. Вода — это товар, в котором нуждается этот процесс, и немного странно, что никто, кажется, не хочет обсуждать стоимость воды.

Возможно, стоимость водоснабжения, хранения и очистки незначительна по сравнению с другими затратами, которые необходимо решить в первую очередь. Тем не менее, это фактические затраты, которые следует добавить к общей сумме при оценке того, насколько далеко продвинулась технология производства водорода из возобновляемой электроэнергии и насколько она стала жизнеспособной.

На данный момент эксперты, похоже, единодушны в том, что это нежизнеспособно — не без значительной государственной поддержки.

Ученые научились получать водород из воды — Российская газета

Ученые Стэнфордского университета создали «расщепитель» воды, способный 24 часа в сутки и семь дней в неделю производить из воды водород и кислород. По словам ученых, это своего рода мировой рекорд. Но самое главное, что цена этого водорода намного ниже, чем у всех существующих сегодня электролизеров. Дело в том, что в них применяются дорогие катализаторы — как правило платина и иридий, на которых и протекает реакция электролиза. Кроме этого, электроды находятся в электролитах, разделенных дорогостоящей мембраной, обеспечивающей ионную электрическую проводимость. Словом высокая цена оставалась главным препятствием для водородной революции на транспорте, которую вот уже лет 20 обещают энтузиасты водорода.

Созданный американскими учеными намного дешевле, он сделан из оксида железа-никеля. Электролизер расщепляет воду при потенциале всего в 1,5 вольта, а его эффективность при комнатной температуре имеет беспрецедентное значение — 82 процента.

Ключом к созданию высокоэффективного и простого катализатора стали ионы лития, которые позволили «расколоть» слой оксида железа-никеля на очень мелкие частички. В итоге намного увеличилась площадь поверхности, на которой проходит реакция расщепления воды, и к тому же она стала более активной. «Кроме этого, частички оксида хорошо связаны друг с другом, что обеспечивает высокую электрическую проводимость электрода в целом», — говорит автор разработки профессор И Куи.

Водород уже давно считается одним из самых перспективных видов альтернативного топлива. Но методы получения водорода из воды путем электролиза до последнего времени были экономически не выгодны и, поэтому, не получили широкого распространения. Созданная в Стэнфорде технология может стать бесконечным источником экологически чистого водородного топлива для различных видов транспорта и для промышленных нужд. Профессор Куи уверен, что такие же принципы могут стать основой создания катализаторов, предназначенных для других реакций, нежели электрохимическое расщепление воды на водород и кислород.

Эксперименты с питьевой водой и электролизером

28.07.2017

Эксперименты с питьевой водой и электролизером

В последнее время мы получили несколько обращений граждан с вопросом о качестве воды после проведения опытов с электролизом воды в компании с известным «именем». Компания продает весьма дорогие фильтры для воды для домашнего использования.

Не верьте этим «фокусникам», которые дистиллированную воду пытаются преподнести как высококачественный продукт. Они используют эффект гидролиза на рынке для продвижения деминерализированной воды, непригодной для постоянного потребления.

Подробная информация о схеме работы продавцов фильтров есть на сайте союза производителе бутилированных вод Российской Федерации (члена Европейской и Международной ассоциации производителей бутилированных вод) и в других источниках в сети интернет.

Мы также еще раз публикуем статью описывающую махинации с ТДС-метром и электролизером.

Они могут представиться сотрудниками ЖЭКа, Роспотребнадзора, просто сотрудником фирмы с известным «именем». Их цель убедить вас с овершить баснословно дорогую и бесполезную покупку.


Схема, по которой работают мошенники.

Жертвой обмана может стать любой, но чаше всего попадаются в ловушку семьи с детьми. Суммируя показания потерпевших, мы составили схему, по которой действуют мошенники.

Вам звонят на домашний или мобильный телефон (как ваш номер оказывается им известен, это отдельная тема для разговора), или в домофон, или уже прямо в дверь. Доброжелательный (чаще женский) голос предлагает совершенно бесплатно, в рамках городской (областной, всероссийской) акции, провести у вас дома анализ воды из-под крана на предмет содержания в ней вредных примесей. Если вы соглашаетесь впускаете их к себе домой, то далее вас ожидает целый спектакль с лекцией о воде как таковой и её влиянии на организм человека. Более того – вам продемонстрируют фотографии старых водопроводных труб в разрезе и будут сетовать на ужасное экологическое положение вашего края, области, района. Если вы говорите им в ответ, что употребляете бутилированную воду, то вам тут же раскрывается «ужасная» правда о производителях такой воды и о том, как они вам, простакам, продают воду, разлитую из-под крана. После чего «эколог» начинает показывать фокусы.

Чтоб окончательно убедить жертву в необходимости совершить покупку, мошенники идут на демонстрацию уровня загрязнённости воды в вашем водопроводе. Для начала вам предлагают провести анализ воды на наличие различных вредных примесей. Используется для этих целей какой-нибудь хитрый прибор, например, TDS-метр, внешне напоминающий термометр. Действие прибора основано на электропроводности растворов, измеряется им концентрация растворенных солей в миллиграммах на литр (минерализация).

Для тестов мошенник использует воду из вашего водопровода, колодца, другого источника, или очищенную воду, принесённую с собой. Результатом опыта становятся показания прибора: для водопроводной воды в районе 400 мг, для бутилированной несколько менее — 400 мг, а для очищенной – менее 50 мг. Как только цифры озвучены и уведены вами, преступник начинает утверждать, что вода, которую вы пьете, содержит множество вредных примесей. Он станет ссылаться на принесенную таблицу — якобы европейские нормы (лист бумаги, напечатанный на принтере), согласно которым 200 мг – это почти смертельная доза. Знайте, это ложь!

Во-первых, в ЕС норм по минерализации питьевой воды нет, а во-вторых, Всемирная организация здравоохранения в своих рекомендациях советует употреблять воду с содержанием минералов в пределах 200-1000 мг на литр. Хорошая питьевая вода содержит примерно 550 мг минералов на литр – сомнений в ее полезности ни у кого нет. А вот 50 мг – это «мёртвая» вода, она не содержит необходимых человеку минералов. Это примерно то же самое, что очищать пищу от витаминов, прежде чем её съесть. Более того, регулярное использование «дистиллированной» воды приводит к вымыванию из организма необходимых ему элементов (кальция, магния, калия и т.п.) и, как следствие, к ухудшению здоровья.

Следующим пунктом программы становится фокус с почернением воды, взятой из вашего водопровода. Для этого «специалист» использует электрический прибор – электролизёр, с действием которого знакомы далеко не все. Происходит это следующим образом: мошенник берет два сосуда. Один из них он наполняет водой из вашего крана, во второй льёт воду, принесённую с собой «очищенную фильтром», и погружает в оба сосуда контактные поверхности электролизёра. Спустя некоторое время ваша вода темнеет до густо-коричневого цвета, в то время как «очищенная» практически не меняет цвет.


«Вот какую гадость вы пьёте, и ещё хотите быть здоровыми!» — сокрушённо качает головой мошенник. По его утверждениям выпадение осадка и изменение цвета воды обусловлено веществами, содержащимися в воде, то есть они просто стали зримы. Это снова ложь! На самом деле под воздействием электрического тока от электродов отделяются ионы. Они соединяются с солями, содержащимися в водопроводной воде, и образуют новые вещества, которые выпадают в виде осадка, хлопьев, взвеси. Здесь и происходит окрашивание воды в различные цвета. В образце же мошенника ничего не происходит, либо эффект минимален, из-за отсутствия солей, которые и являются проводником электричества. То есть реакции быть не может, так как не идет электролиз.

В 2014 году обманщики случайно провели анализ воды у одного журналиста. Он невозмутимо дождался окончания спектакля и, выпроводив мошенников за дверь, отдал образцы воды в лабораторию для исследования. Вот что показали лабораторные тесты:





Обратите внимание на появившиеся в воде после электролиза вещества, которых ранее в ней не было (железо), и на то, каким чудесным образом концентрация хлоридов увеличилась в пять раз.В сущности, мошенники показывают вам обычный школьный опыт – электролиз воды. Водопроводная вода была совершенно нормальной, а появившийся в ней бурый осадок – это обычное железо, которое проявляется на контактах прибора при электролизе. Чистая вода из личной бутылки мошенника не дала такого осадка, поскольку она была дистиллированной – в ней реакции окисления железа на электродах не происходит.

И вот, наконец, напугав вас кошмаром из курса физики за шестой класс, мошенник подходит к самому главному — вашим деньгам. Пока вы и члены вашей семьи расстроены увиденным, вам предлагают купить фильтр по чрезвычайно «низкой цене». Потому что именно сейчас у компании акция, и у вас есть эксклюзивная возможность купить фильтр с бесплатной установкой. Если же вы говорите, что такой большой суммы у вас нет, то добрый продавец готов предоставить вам рассрочку или позвонить начальнику и попросить о персональной скидке. При этом он проявляет готовность снизить цену в несколько раз. И в такой его уступчивости нет ничего удивительного, ведь на рынке аналогичные системы стоят в среднем в пять-десять раз дешевле, чем продает этот человек. Вдумайтесь, в пять-десять раз!

В рамках этой статьи мы хотим призвать вас обратить внимание на то, какую воду вы используете для питья. Помните — нет ничего лучше настоящей природной воды, добытой из артезианского источника и разлитой в бутылки. Именно такая вода содержит в своем составе необходимые нашему организму полезные вещества и микроэлементы. Воду, пропущенную через фильтр, лучше всего использовать в бытовых целях. Она не содержит ничего полезного, ведь мы все удаляем из нее в процессе «очищения».

Будьте внимательны и берегите свое здоровье и кошелек!

Источник: http://www.water-for-life.ru/publications/publications_122.html

Электролиз воды в промышленных генераторах водорода

Электролиз

это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В промышленных генераторах водорода для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:

• Анод — электрод к которому подключен положительный проводник;
  
• Катод — электрод к которому подключен отрицательный проводник.

Ниже представлена  принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.

Электролиз воды

Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод  — анионы ОН^—.

Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:

• Реакция на аноде: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻  — выделение кислорода;
  
• Реакция на катоде: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ — выделение водорода.

Промышленный электролизер собран по биполярной схеме, где между основными электродом и катодом помещены биполярные «промежуточные» электроды имеющие разные заряды по сторонам. Со стороны основного анода, промежуточный электрод имеет катодную сторону, со стороны катода — анодную (см. рисунок).

Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок).  Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита. 

Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70%  производительностью до 500 м³/час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н₂м³/кВт-ч.

ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ

В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны. 

Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.

 

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, включая системы электролизеров, и недавно объявила о поставке своего 5-мегаваттного электролизера 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 по-разному в зависимости от материала электролита.И щелочные электролизеры, и электролизеры PEM 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 (ОН-) 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)

• В электролизерах PEM используется протонообменная мембрана, 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)

• Использует твердый керамический материал в качестве электролита
• 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
SOEC
• работают при гораздо более высоких температурах (выше 500 ° C), чем щелочные электролизеры и электролизеры с ПЭМ (до 80 ° С), и потенциально могут стать намного более эффективными, чем электролизеры с ПЭМ и щелочными электролизерами.

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Есть четыре основных способа коммерциализации электролизеров:

1. От энергии к мобильности : водород можно использовать в качестве топлива на заправочных станциях для электромобилей на топливных элементах, таких как автобусы, поезда и автомобили.
2. Power to Fuel : Используется на нефтеперерабатывающих заводах для удаления серы из ископаемого топлива.
3. Энергия для промышленности : Используется непосредственно в качестве промышленного газа в сталелитейной промышленности, на заводах по производству листового стекла, полупроводниковой промышленности и т.д. .
4. 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 производства 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 в атмосферу в полностью электрических системах и на топливных элементах.

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.

Чтобы уменьшить негативное воздействие изменения климата и обезуглерожить сектор энергетики, технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветер и солнечная энергия, стали ключевыми составляющими решения.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, купив 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 различных типа электролизеров:

1. Электролизер с полимерно-электролитной мембраной HyLYZER® (PEM) использует ионопроводящий твердый полимер и лучше подходит для крупномасштабного производства водорода.
2. 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.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

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.

•

Ясно 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 электролизом воды. Однако с точки зрения устойчивости и воздействия на окружающую среду электролиз воды из ПЭМ считался наиболее перспективным методом для получения высокоэффективного чистого 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 рассмотрены 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)

© 2019 Авторы.Производство и размещение компанией Elsevier BV от имени KeAi Communications Co., Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Безмембранный проточный электролизер, работающий при высокой плотности тока с использованием обильно содержащихся в земле катализаторов для расщепления воды

Безмембранный Конфигурация проточного электролизера

На Рисунке 1а показана сборка и принцип работы безмембранного проточного электролизера (MFE). Ячейка состоит из двух физически разделенных отсеков, соединенных проводами, которые позволяют переносить электроны для реакций выделения кислорода и водорода соответственно.Оба отсека имеют одинаковую сэндвич-конфигурацию, состоящую из концевых пластин, токосъемников, бифункционально активного электрода, пористого сепаратора толщиной 130 мкм и вспомогательного электрода (окислительно-восстановительная пара AE, NiOOH / Ni (OH) ₂ ). Анолит (O ₂ — обогащенный 1,0 M раствор KOH) и католит (H ₂ — обогащенный 1,0 M раствор KOH) направляют непрерывно в указанное отделение во время реакции. Благодаря этой плотно упакованной сэндвич-структуре с гораздо более коротким расстоянием перемещения ионов, омическое сопротивление нашей безмембранной ячейки сравнимо с сопротивлением протонообменного мембранного водного электролизера (PEMEC, см. Ниже).Вместе с разделением двух реакционных камер это открывает возможности для работы ячейки при высоких плотностях тока, сравнимых с PEMEC.

Рис. 1: Устройство и принцип работы безмембранного проточного электролизера.

a Компоненты и сборка безмембранного электролизера. b , c Подробный циклический принцип работы безмембранного электролизера, показывающий, как меняются роли каждого отсека во время работы.

Наша ячейка работает циклически при разделении воды. В цикле, когда левый отсек является катодом (см. Рис. 1b), бифункциональный катализатор на рабочем электроде катализирует HER в католите, генерируя анионы OH ^—, которые проходят через сепаратор и реагируют с Ni (OH) ₂ на AE с образованием NiOOH. Выделившийся газ H ₂ собирается в резервуаре H ₂ через трехходовой клапан. Между тем, рабочий электрод в другом отсеке катализирует OER в анолите, используя ионы OH ^—, полученные в результате превращения NiOOH в Ni (OH) ₂ .Образующийся O ₂ также течет через другой 3-ходовой клапан в резервуар O ₂ (или в вентиляционное отверстие по запросу). Когда почти все материалы AE преобразованы, непрерывная работа системы гарантируется переключением полярности электрического тока ячейки, как показано на рис. 1c и дополнительном рис. 8. Поскольку левый отсек становится анодом в следующем цикле, заранее католит заменяют анолитом, обогащенным О ₂ . Этот обмен был разработан, чтобы избежать смешения остаточных H ₂ и O ₂ , оставшихся в отсеке.Трехходовой клапан также переключается в направлении, чтобы гарантировать, что образующийся O ₂ течет в резервуар O ₂ . Между тем, правый отсек и аксессуары ведут себя соответствующим образом, чтобы обеспечить производство и сбор H ₂ с высокой чистотой. Поскольку электрод-катализатор является бифункционально активным OER / HER, эта циклическая операция показывает практически идентичные и превосходные характеристики во всех циклах.

Бифункциональный электрокатализатор

Чтобы обеспечить отличную бифункциональную активность, эффективный массоперенос, высокую электрическую проводимость и хорошую физическую совместимость с электродом, мы разработали иерархически пористый катализатор, содержащий FeP, CoP и углерод, легированный азотом (NC).Эта гибридная система, обозначенная как FeP – CoP / NC, была синтезирована посредством последовательных процессов, заключающихся в ограничении прекурсора Fe – Co в мезопорах NC путем инфильтрации, образования биметаллического сплава Fe – Co путем пиролиза и фосфидирования с образованием взаимосвязанных квантов FeP и CoP. точками (см. схему на рис. 2а). На рис. 2б представлена ​​рентгенограмма пиролизованных НК с прекурсором Co – Fe. Восстановительная атмосфера способствовала образованию биметаллического сплава Fe – Co. После фосфидирования сосуществование FeP (PDF №78-1443) и CoP (PDF No. 29-0497) подтверждено ^{39,40,41,42,43,44,45} . Размер кристаллизованных зерен как FeP, так и CoP, рассчитанный с использованием уравнения Шеррера, составил ~ 3,4 нм. Фактически, поскольку FeP и CoP не смешиваются, допирование FeP Co или наоборот для оптимизации каталитических характеристик является сложной задачей. ^46,47 . Стадия легирования создала гомогенно диспергированные фазы Fe и Co на атомном уровне, способствуя образованию небольших нанокристаллов CoP и FeP. Такие небольшие домены увеличивают длину интерфейса FeP-CoP для улучшения бифункционального катализа (см. Ниже) ⁴⁸ .

Рис. 2: Схема процедуры синтеза и характеристики бифункционального катализатора FeP – CoP / NC.

a Типичная иллюстрация процедуры синтеза FeP – CoP / NC; b Рентгенограммы сплавов Fe – Co / NC и FeP – CoP / NC; ПЭМ-микрофотографии исходных NC c с мезо / макропорами и d FeP-CoP / NC, на вставке — SAED-паттерн доменов FeP-CoP; e HAADF изображение FeP – CoP / NC, указано положение строчной развертки EDX; f EDX элементарные отображения C, Fe, Co и P; g Линейное сканирование EDX наночастицы в e .

Морфология исходных НК была охарактеризована с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ, рис. 2в). Эта иерархически пористая структура содержит множество микро-, мезо- и макропор (последние две показаны кружками, также см. Изотерму адсорбции N ₂ и соответствующий анализ распределения пор по размерам на дополнительном рис. 10). После внедрения FeP и CoP изображение ПЭМ на рис. 2d показывает, что фосфидный кластер в основном ограничен большими порами NC, но не полностью заполняет пространство мезопор.Сравнение кривой распределения пор по размерам также показывает, что поры размером от 20 до 50 нм сохранялись после заполнения фосфидным катализатором. Углеродные основы минимизировали омические потери, в то время как оставшиеся поры жизненно важны для массопереноса. Таким образом, этот гибридный катализатор имеет решающее значение для работы электролизера при высокой плотности тока.

Образование кластера FeP и CoP было также подтверждено с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) с использованием высокоуглового кольцевого детектора темного поля в режиме сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (HAADF-STEM).Кластеры имели диаметр <50 нм на рис. 2д. Хотя CoP и FeP не смешиваются, элементарные отображения показывают, что и Fe, и Co равномерно распределены внутри кластера (см. Рис. 2f). Линейное сканирование EDX подтвердило, что размер домена обоих фосфидов составляет 2–3 нм, что согласуется с данными XRD. Этот вывод был также подтвержден дифракцией электронов в выбранной области (SAED, см. Вставку на рис. 2d). Небольшие диффузные гало-кольца, выходящие из плоскости (011) и (101) FeP и CoP, соответственно, показали, что оба домена CoP и FeP являются нанокристаллическими.

Сначала мы использовали стандартную трехэлектродную установку в 1,0 М КОН для оценки активности ОЭВ приготовленных электрокатализаторов на стеклоуглеродном рабочем электроде. На рис. 3а сравниваются вольтамперограммы с линейной разверткой (LSV) FeP – CoP / NC с контролем. Для достижения плотностей тока до 10, 50, 100 мА см ^-2 , FeP – CoP / NC, с молярным соотношением Fe и Co 1: 1, требовались самые низкие перенапряжения ( η ), составляющие 281, 340, и 392 мВ соответственно. Напротив, образцы гибридного фосфида на техническом углероде (FeP – CoP / C), FeP – CoP и NC показали гораздо более высокие перенапряжения и большие тафелевские наклоны (см. Рис.3в). Фактически, в промышленном углероде отсутствуют мезопоры, которые испытывают повышенное перенапряжение при высокой концентрации при высокой плотности тока. FeP – CoP без подложки был гораздо менее проводящим, что привело к значительным омическим потерям. Это было доказано графиком Найквиста из спектроскопии электрохимического импеданса (EIS, см. Дополнительный рисунок 11). В частности, молярное соотношение Fe / Co (1: 0, 1: 0,5, 1: 1, 0,5: 1 и 0: 1) было критическим фактором, влияющим на активность OER (см. Дополнительный рисунок 12). Это может быть связано с электронной структурой и синергетическим эффектом катализатора (см. Ниже).Мы также исследовали стабильность FeP – CoP / NC, выполнив 1000 циклов циклической вольтамперометрии (CV) (см. Рис. 3d). После циклов наблюдалось незначительное изменение LSV. Кроме того, мы также смещали ячейку на перенапряжение 281 мВ, постоянный ток OER регистрировался в течение 12-часового теста (см. Вставку на рис. 3d). Превосходная бифункциональность FeP-CoP / NC была затем продемонстрирована в HER. При эталонной плотности тока 10 мА см ^–2 FeP – CoP / NC обеспечивал перенапряжение 79 мВ, что сравнимо с современными катализаторами (см. Дополнительные таблицы 1 и 2).Наклон Тафеля составил 71 мВ дек ^-1 , менее крутой, чем у FeP-CoP / C (93 мВ дек ^-1 ), FeP-CoP (105 мВ дек ^-1 ), что указывает на более быструю кинетику реакции. . Между тем, после теста на стабильность, показанного на фиг. 3h, спада активности зарегистрировано не было.

Рис. 3: Электрокаталитические характеристики FeP – CoP / NC.

Сравнение a LSV, b перенапряжений при различной плотности тока, c наклонов Тафеля и d стабильности с контролем в OER.Сравнение e LSV, f перенапряжений при различных плотностях тока, g Tafel slopes и h стабильности с контролями в HER. Электролит — 1,0 М КОН, скорость сканирования — 5 мВ с ^-1 , применяется компенсация после и R. Характеристики общего расщепления воды с использованием FeP – CoP / NC в качестве катализаторов: i j — t кривая при 1,68 В; j кривая V — t при различных плотностях тока и k j — t кривая при ± 1.68 В с переключением полярности потенциала каждые 3,3 ч в ячейке с одним отсеком; l j — t кривая при ± 1,68 В с переключением полярности потенциала каждые 3,3 часа в H-ячейке. Применена компенсация № и R.

Затем мы исследовали бифункциональность, стабильность и системную совместимость FeP – CoP / NC в практических условиях. Во всех исследованиях электролиза воды, представленных ниже, компенсация iR не применялась. Гибридный катализатор был напечатан на углеродной ткани как анод и катод электролизера с одним отделением для разделения щелочной воды в 1.0 М КОН. При 1,68 В ( η = 450 мВ) в общей реакции расщепления воды плотность тока достигала 55 мА · см ^–2 , которая поддерживалась в течение 36 ч электролиза (рис. 3i). В той же ячейке мы также хронопотенциометрически продемонстрировали стабильность и динамический отклик электрода. На рисунке 3j показаны характеристики приложенного напряжения ячейки, когда плотность тока была увеличена с 10 до 285 мА см ^–2 (Δ j = 25 мА см ^–2 ). Наивысший потенциал достиг 2.51 В, из-за большого омического сопротивления ячейки. Тем не менее, потенциал быстро стабилизировался после каждого увеличения тока. Циклическая стабильность катализатора во время циклических OER и HER обеспечивалась периодическим переключением полярности потенциала (± 1,68 В, 3,3 ч на цикл, см. Фиг. 3k и дополнительный фиг. 14a). Следовательно, катализатор FeP – CoP / NC на каждом электроде подвергался как анодному, так и катодному смещению. Примечательно, что плотность тока ячейки стабилизировалась на уровне прибл. ± 43 мА см ^-2 как в «положительном», так и «отрицательном» цикле.Чтобы избежать влияния выделяющегося газа вокруг электрода в следующем цикле, мы также собрали ячейку H-типа, содержащую FeP-CoP / NC, на углеродной ткани в качестве обоих электродов. Были проведены аналогичные циклические хроноамперометрические исследования (± 1,68 В, 3,3 ч на цикл, см. Рис. 3l и дополнительный рис. 14b). Хотя плотность тока оставалась стабильной в течение всех циклов, значение упало до ± 10 мА · см ^-2 из-за улучшенного омического сопротивления элемента. Мы пришли к выводу, что FeP-CoP / NC на углеродной ткани являются отличным бифункциональным электродом, однако высокие омические потери в обычной ячейке для электролиза с щелочной водой ограничивают ее эффективность на практике.

Чтобы понять происхождение бифункциональной активности, мы провели рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS). Развернутые спектры ядерных уровней Fe 2 p FeP – CoP / NC до и после цикла HER / OER показаны на дополнительном рис. 15a. Пики при 707,2 и 720,1 эВ свежего образца соответствуют образованию фосфида ^49,50 . Они полностью исчезли после реакции, вероятно, из-за окисления и последующего образования оксида и гидроксида железа.CoP также испытал окисление и образование оксигидроксида во время цикла OER, что согласуется со сценарием, наблюдаемым в литературе, однако пики фосфидов при 779,4 и 794,5 эВ все еще наблюдались на дополнительном рисунке 15b ^{51,52,53,54,55 , 56} . Это может быть связано с разницей электроотрицательностей CoP и FeP. При соединении друг с другом в электролите более электроположительный CoP был в значительной степени защищен и стабилизирован, тогда как FeP был окислен. Поскольку и CoP, и FeP были равномерно распределены в наночастице (см.микроскопический анализ TEM), оставшиеся квантовые точки CoP все еще были способны эффективно катализировать HER после цикла OER. Таким образом, мы сделали вывод о происхождении бифункциональности: смешанные гидроксиды Fe и Co (окси), образовавшиеся на месте, внесли вклад в OER, тогда как остаточные квантовые точки CoP были ответственны за HER во время непрерывной циклической операции.

Характеристики MFE

Бифункциональный катализатор FeP – CoP / NC был нанесен трафаретной печатью на углеродную ткань (CC) в качестве рабочего электрода MFE.Перед тестированием оба отсека МФЭ были заполнены 1,0 М раствором КОН. Выбор этой относительно низкой концентрации (по сравнению с 30-40% -ным раствором КОН в промышленном электролизере с щелочной водой) должен был гарантировать стабильность фосфидного электрокатализатора в цикле ООР против окисления. Вспомогательные электроды были активированы на месте для образования окислительно-восстановительной пары Ni (OH) ₂ / NiOOH (см. Рис. 1, более подробную информацию можно найти в SI). На рисунке 4b показаны циклические гальваностатические кривые MFE при ± 750 мА · см ^-2 .Каждый цикл длился 10 мин, чтобы избежать чрезмерного разряда вспомогательного электрода (влияние времени цикла можно найти на дополнительном рис. 16). Зарегистрированное потенциальное смещение, стабилизированное на уровне 2,1 В, было высокосимметричным для всех «положительных» и «отрицательных» циклов. При смене полярности тока протекающий анолит и католит также менялись в течение 2-минутного интервала (для простоты этот интервал не указан на графиках ниже). Чистота H ₂ , определенная за все время отбора проб (см. Красные точки на рис.4а), сохраняется> 99,1% во всех исследованных циклах.

Рис. 4: Эффективность MFE при общем расщеплении воды.

a Типичная последовательность операций во время циклического теста, чистота H ₂ определялась во время с красными точками; влияние плотности тока b , температуры c и скорости потока d на потенциальное смещение, кроме указанного, плотность тока составляет 750 мА см ⁻² , температура 35 ° C и скорость потока 50 мл мин. ^-1 , замена анолита / католита не применяется для простоты.И анолит, и католит представляют собой 1,0 М растворы КОН.

MFE может работать при разной плотности тока (см. Рис. 4b). Приложенные напряжения составляли 1,62, 1,78, 1,92, 2,01 и 2,11 В для достижения плотностей тока 150, 300, 450, 600 и 750 мА · см ^-2 , соответственно. Низкие перенапряжения указывают на превосходную бифункциональную активность катализатора, сравнимую с PEMEC, при этом превосходя классическую щелочную воду и традиционный электролизер с развязкой, используя окислительно-восстановительные пары (CE, см. Дополнительные рис.18–19). Мы также исследовали влияние температуры отсека на расщепление воды, удовлетворительное приложенное напряжение было зарегистрировано выше 35 ° C (рис. 4c). Такая низкая рабочая температура обещала значительно сэкономить тепловую энергию. Скорость потока анолита / католита была еще одним важным фактором, контролирующим кинетику реакции (см. Рис. 4d). Благодаря облегченному переносу массы при 50 мл мин ^-1 , поляризационные потери были значительно уменьшены и стабилизированы.

Мы также использовали метод Архимеда для количественной оценки объема генерируемого газа с течением времени при 200 мА (см. Рис.5а). Через 45 минут было измерено 2,77 ммоль H ₂ , что было близко к теоретическому значению (2,8 ммоль), расчетная эффективность по Фарадею составила 96,5%. Потери приписывались заряду / разряду вспомогательного электрода и поляризации электрода. На рисунке 5b сравниваются спектры электрохимического импеданса (EIS) электролизеров с различной архитектурой при напряжении холостого хода (OCV). Удельное поверхностное сопротивление MFE было всего 0,17 Ом · см ² , что сравнимо с сопротивлением PEMEC, но намного ниже, чем сопротивление однокамерного элемента, H-элемента и контрольного элемента (NiOOH / Ni (OH) ₂ Была использована окислительно-восстановительная пара, но без проточной или многослойной электродной структуры, см. подробности на дополнительных рисунках.18 и 22).

Рис. 5: Испытание на устойчивость MFE при общем расщеплении воды.

a Измеренные выходы H ₂ и O ₂ с использованием метода Архимеда, линии твердых веществ представляют выделение газа при 100% -ном КПД по Фарадею; b Спектры ЭИС ячеек разной архитектуры, все электроды используются с катализаторами FeP – CoP / NC; испытание на циклическую стабильность MFE в деионизированной воде c и электролите водопроводной воды d , осаждение в электролите водопроводной воды после добавления KOH было удалено; Замена анолита / католита не применяется для простоты.

Важно отметить, что общее расщепление воды в MFE было выполнено одинаково хорошо как в деионизированной воде, так и в обычной водопроводной воде, содержащей различные катионы металлов (см. Рис. 5c, d и дополнительный рис. 24). После 24-часового испытания при 750 мА · см ^-2 в деионизированном водном электролите наблюдалась небольшая деградация. Жесткость использованной водопроводной воды составляла 179 мг. Л ^-1 (эквивалентная концентрация как карбонат кальция, в основном происходящий из Ca ²⁺ и Mg ²⁺ ).Другие растворимые и твердые загрязнители можно найти в дополнительной таблице 4. Хотя известно, что эти катионы вредны для электролиза воды PEMEC, похоже, что на MFE это не влияет. Потенциальное смещение при 750 мА см ^-2 было немного увеличено на 60–70 мВ по сравнению с таковым в деионизированной воде, но также было по существу стабильным в течение 24 часов испытания. На дополнительном рис. 25 мы также показали стабильную работу MFE в электролите водопроводной воды в течение 500 часов. Перенапряжение при 750 мА см ^-2 увеличилось на 8.95% после 500-часового испытания на долговечность, что свидетельствует о том, что как рабочий, так и вспомогательный электроды были прочными в рабочих условиях.

Электролизер

— кислород не включен Wiki

Эта статья не редактировалась для текущей версии ( EX1-469473 ). Последний раз он обновлялся для LU-356355 . Он может содержать неточности.

Эта статья не редактировалась для текущей версии ( EX1-469473 ).Последний раз он обновлялся для LU-356355 . Он может содержать неточности. Эта статья не редактировалась для текущей версии ( EX1-469473 ). Последний раз он обновлялся для LU-356355 . Он может содержать неточности.

Электролизер

Преобразует воду в кислород и водород.
Переходит в режим ожидания, когда зона достигает максимального давления.

Вода идет в один конец, кислород, поддерживающий жизнь, выходит из другого.

Декор

-10 (Радиус: 2 клетки)

Трубопровод

Вход: водозаборная труба

Электролизер — это устройство, которое использует электричество для разделения воды на составляющие кислород и водород.

Оба выхода имеют минимальную температуру 70 ° C (или выше, если входы были более горячими).

Использование []

Электролизеры

требуют большего планирования, чем другие источники кислорода, поскольку они не только требуют, чтобы вода постоянно подавалась через систему труб и насосов, но также необходимо учитывать водород и обращаться с ним соответствующим образом.Другой аспект — температура создаваемого кислорода. Электролизер имеет минимальную температуру на выходе 70 ° C, поэтому рекомендуется иметь некоторую форму охлаждения кислорода перед его использованием в ядре колонии. В качестве альтернативы имейте некоторое охлаждение самой колонии или в самой колонии, чтобы бороться с дополнительным жаром.

Как и его двоюродный брат, диффузор кислорода, электролизер автоматически останавливается, когда четыре занимаемых им блока достигают установленного разработчиком максимального предела давления.

Электролизеры могут использоваться для удовлетворения потребностей колонии в кислороде до тех пор, пока есть источник воды.Произведенный водород поднимется на верхнюю часть комнаты, откуда его можно будет откачать с помощью газового насоса. В качестве альтернативы электролиз можно проводить в небольшом воздухонепроницаемом помещении, и можно использовать газовые насосы для отвода кислорода и водорода до того, как в помещении будет достигнуто давление отсечки. Затем водород можно отделить от кислорода с помощью газового фильтра и направить в генератор водорода для сжигания, производя при этом небольшое количество энергии. Затем кислород может быть распределен внутри колонии через газоотводные отверстия.Вместо одного вентиляционного отверстия можно использовать систему вентиляции, чтобы гарантировать, что всегда есть место для выхода кислорода, поскольку отдельное вентиляционное отверстие перестанет выпускать кислород, как только блок, который он занимает, достигнет предельного давления для этого вентиляционного отверстия. Гейзер можно использовать для обеспечения неограниченного количества воды для подачи кислорода на основе электролизера.

Тепловая экономия []

Рассмотрите как можно меньше охлаждающей воды или даже сбросьте в нее немного тепла перед подачей в электролизеры.Входящий килограмм воды более плотный по теплу, чем выходной килограмм газов, что удобно, так как облегчает последующее охлаждение газов.

Но становится лучше — при 0 ° C в качестве «базовой» температуры 1 кг смеси кислорода и водорода при 70 ° C переносит столько же тепла, сколько 1 кг воды при 19,45 ° C, что означает, что при 19,75 ° C На входе электролизер начинает выделять тепло и становится отрицательным в чистом виде. Он будет разрушать 4,179 кДТЕ (1 кг * удельная теплоемкость воды) на каждый градус выше этого, пока не достигнет 70 ° C, когда на выходе также начнется повышение температуры, а эффективность упадет примерно до 3 кДТЕ / градус.С водой, близкой к температуре 96 ° C, он будет складывать до 288 кДТЕ / с в абсолютных числах, что сопоставимо с 3,6 AETN.

Обратите внимание, что электролизер не будет обрабатывать воду и выпускать пар в окружающую среду, если заборник слишком горячий.

Как следствие, подача воды с температурой ниже 19,8 ° C создаст тепла.

Тем не менее, мощность 70 ° C наверняка пригодится для любой фермы, полагающейся на поддержание температуры 30 ° C или ниже, без какой-либо дополнительной передачи / удаления тепла.На каждый грамм кислорода выводится масса электролизера с теплоемкостью 1,308 (DTU / г) / ° C. Учитывая, что дубликат потребляет 100 г / с кислорода, для охлаждения выхода электролизера требуется 130,8 (DTU / ° C) / s на дубликат, а для разницы в 40 ° C — 5,2 кДТЕ / с. Это немного больше тепла, чем удаляет удобренный хворостник в кислородной среде.

Советы []

• Электролизер — это способ производства кислорода без водорослей, и его следует изучить, прежде чем у вас закончатся водоросли.
• Заполнение электролизера чем-либо, кроме воды, приведет к его повреждению. Это ограничение распространяется на загрязненную воду.
• Электролизер имеет внутренний резерв 10 кг, которого в идеальных условиях хватает на 10 секунд.
• Электролизер не удаляет микробы пищевого отравления или слизи из воды, а выводит микробы с кислородом. Оба микроба постепенно вымрут в кислороде.
• Использование вентиляционных отверстий для газа под высоким давлением будет более эффективно распространять кислород в основании (однако слишком высокое давление вызовет лопание барабанных перепонок, что создает напряжение, чтобы избежать этого, используйте автоматику для перекрытия вентиляционного отверстия при достаточно высоком давлении).
• Электролизер лучше всего комбинировать с антиэнтропийным термо-нейтрализатором для охлаждения его выходной мощности при очень небольших затратах на водород. Кроме того, он может предотвратить слишком сильный нагрев электролизера, если он установлен достаточно близко.

Ошибки []

Размещение электролизера с двумя газовыми насосами слева и справа в герметичном помещении 6×2 приведет к исчезновению значительного количества водорода, эффективно производя только 75 г / с водорода (примерно 66% от того, что должно быть).Обходной путь — сделать комнату высотой в 3 плитки (с насосами и электролизером, размещенными на земле).

См. Также []

Электролиз воды с анионообменной мембраной: как это работает

figure.image { дисплей: нет; } ]]>

Зеленый водород, производимый из воды с использованием возобновляемых источников энергии, признан наиболее многообещающим энергоносителем, который у нас есть для полной замены ископаемого топлива во многих секторах. За последнее столетие было разработано несколько различных технологий, используемых для производства зеленого водорода, но очень важная часть головоломки долгое время отсутствовала.Компания Enapter завершила эту головоломку, разработав технологию анионообменных мембран (AEM) для электролиза воды.

Но прежде чем мы посмотрим на AEM, нам нужно ответить на вопрос: почему мы можем хранить энергию в водороде?

Электролиз воды — это реакция расщепления молекул воды на водород и кислород. Это эндотермический процесс, что означает, что он может поглощать и накапливать энергию в виде химических связей в водороде. С другой стороны, обратная реакция водорода и кислорода с образованием молекул воды является экзотермической реакцией, которая выделяет энергию в окружающую среду.Используя цикл эндотермического электролиза воды и последующих экзотермических реакций образования воды, мы можем хранить возобновляемую энергию в зеленом водороде — без ископаемого топлива и выбросов углекислого газа.

Как складывается AEM

Прежде чем углубляться в механизмы электролиза AEM, нам необходимо сначала понять самый важный компонент в электролизере AEM: батарею AEM, где происходит реакция расщепления воды. Как показано на диаграмме выше, одиночная ячейка разделена на две полуячейки анионообменной мембраной.Каждая полуячейка состоит из электрода, газодиффузионного слоя (GDL) и биполярной пластины (BPP). Несколько отдельных ячеек соединены биполярной пластиной, чтобы сформировать стек AEM.

Полуэлемент в электролизере AEM, в отличие от традиционного щелочного (ТА) электролизера, позволяет производить водород и кислород под давлением 35 бар и 1 бар соответственно. Разница давлений между полуячейками может препятствовать переходу производимого кислорода в полуячейку высокого давления, обеспечивая, таким образом, очень высокую чистоту водорода (99.9%).

Отделение H от H

₂ O

Водный электролит, содержащий всего 1% гидроксида калия (КОН), циркулирует только в анодной половине ячейки и смачивает мембрану, в то время как катодная сторона остается сухой. Следовательно, водород, произведенный из катодного полуэлемента, имеет низкое содержание влаги, и важно отметить, что в катодном полуэлементе не может быть КОН. Молекулы воды проходят через мембрану и восстанавливаются на катоде с образованием водорода.Источник питания от внешней цепи используется для создания разности электрических потенциалов на границе электролита и электрода. Затем разность потенциалов запускает реакцию выделения водорода (HER) посредством переноса электрона (e ^— ): 4H ₂ O + 4e ^— → 4OH ^— + 2H ₂ .

Произведенный водород затем выпускается через GDL в выходной трубопровод. Соответствующие катализаторы HER на катоде облегчают процесс, снижая энергетический барьер реакции.

pH и выделение кислорода

В слабощелочной среде электролизера AEM оставшийся гидроксид-ион (OH ^— ) из HER вернется в анодную полуячейку через мембрану. Замененный OH ^— представляет собой анион, который и дал название AEM. В электролизере протонообменной мембраны (PEM) протон (H ⁺ ) переносится через PEM в сильно кислой среде.

Следовательно, для электролизера PEM требуются металлы платиновой группы (PGM) в качестве катализаторов и дорогие биполярные пластины из титана, чтобы выдерживать сильную коррозию в кислой среде, в то время как катализаторы без PGM и стальные биполярные пластины являются достаточными для эффективного производства водорода в электролизере AEM.с разбавленным раствором КОН в электролизере AEM гораздо безопаснее обращаться, чем с электролитом с pH 14 в электролизере TA.

После того, как OH ^— транспортируется обратно на анодную сторону электролизера AEM, он потребляется реакцией выделения кислорода (OER): 4OH ^— → 2H ₂ O + O ₂ + 4e ^— . На каждые две единицы водорода одна единица кислорода генерируется путем переноса четырех единиц электронов. Следовательно, концентрация OH ^— в электролите может оставаться постоянной за счет постоянной подачи воды без добавления КОН.OER управляется разностью потенциалов на каталитических участках на аноде, и образовавшийся кислород удаляется из полуэлемента анода через GDL вместе с циркуляцией электролита.

Используя электролиз воды AEM, модульные электролизеры Enapter могут производить 500 нл зеленого водорода в час с чистотой 99,9% (99,999% после сушки) при давлении 35 бар из 0,4 л воды и 2,4 кВтч возобновляемой энергии. Мы думаем, что эти результаты говорят сами за себя, но мы тепло приглашаем вас обратиться к нашей команде, если у вас все еще есть вопросы о том, как создание зеленого водорода с помощью электролиза AEM может работать на вас.