L’hidrogen, com a portador d’energia de carboni zero amb una densitat d’energia molt elevada (140MJ-kg -1), està rebent cada cop més atenció. El 20% de la reducció d’emissions de CO2 del món es pot realitzar mitjançant la substitució d’hidrogen el 2050, i el consum d’hidrogen representarà el 18% del mercat energètic mundial, amb l’hidrogen verd obtingut per electròlisi d’aigua mitjançant fonts d’energia renovables que representen més del 80% del subministrament d’energia d’hidrogen total.
Actualment, les tecnologies d’electròlisi principal per a la producció d’hidrogen inclouen l’electròlisi d’aigua alcalina (ALK), l’electròlisi d’aigua de membrana de protons (PEM), l’electròlisi d’aigua d’òxid sòlid (SOEC) i l’electròlisi d’aigua de membrana de la membrana d’intercanvi d’anions (AEM). Entre ells, l’equip d’electròlisi d’aigua alcalina de la Xina té avantatges evidents en termes de costos d’equips únics a gran escala i baixos equips, i és la ruta tecnològica preferida per a projectes de producció d’hidrogen a gran escala. Sany Hydrogen, com a fabricant principal d’electrolitzadors a la Xina, es basa en la tecnologia líder de la tradicional maquinària de construcció de Sany i compta amb una àmplia gamma d’electrolis alcalins reconeguts per la indústria i productes d’electroliser PEM amb un rendiment estable en només dos anys.
Per a l’electrolitzador alcalí, l’elèctrode i el diafragma, com a materials clau, afecten el consum d’energia de l’electrolitzador. Per tant, l’elèctrode i el diafragma d’alt rendiment poden reduir eficaçment la tensió de la cambra petita, de manera que per aconseguir la millora de l’eficiència de l’electròlisi, reduir el consum d’energia, augmentar la producció de gas d’un sol dipòsit i millorar la vida de l’electrolitzador. L’energia d’hidrogen de Sany ha reconegut la importància dels materials bàsics des de la primera fase del seu establiment, i va establir ràpidament un laboratori d’energia d’hidrogen i un lloc de prova de màquina de 20MW per proporcionar suport de dades per a l’optimització de materials clau per a l’electrolitzador.
Àmplia gamma d'elèctrodes
L’electrolitzador alcalí té diverses cambres petites, cadascuna de les quals conté dos elèctrodes, un càtode i un ànode, la forma de les quals generalment correspon a la de l’electrolitzador (generalment circular) i l’àrea geomètrica de la qual és igual a l’àrea efectiva de l’electrolitzador.
(Figura: Esquema de l'electrolitzador i els elèctrodes alcalins)
Actualment, hi ha una àmplia gamma d’elèctrodes per a la producció d’hidrogen a partir d’aigua electrolitzada alcalina disponible al mercat i en el camp de la investigació i el desenvolupament:
Els millors intèrprets són elèctrodes fabricats en metalls preciosos (PT, PD, RU, etc.), que, segons dades teòriques (energia lliure de Gibbs d’adsorció d’hidrogen), són les més properes a l’activitat catalítica òptima per a la precipitació d’hidrogen de tots els materials metàl·lics. L’empresa italiana Dinola utilitza recobriments mixtes d’òxids de metall preciosos per fer elèctrodes de metall preciosos combinant el catalitzador amb el material del substrat mitjançant la deposició pirolítica i altres mitjans, i les seves dades publicitzades mostren que la densitat actual és fins a 9 0} 0 ma-cm -2 Temps, amb una taxa de degradació del rendiment dels elèctrodes de només un 0,5% anual. Aquests elèctrodes s’han demostrat experimentalment i al mercat que ara són materials d’avantguarda per als catalitzadors de descomposició d’aigua, però, la seva àmplia aplicació s’ha vist greument afectada per la seva elevada cost i la seva baixa capacitat d’emmagatzematge.
Per a les darreres investigacions de laboratori sobre elèctrodes, incloent elèctrodes basats en carboni, els elèctrodes d’auto-cultiu de níquel, el seu rendiment, sovint és molt millor que els elèctrodes industrials ordinaris, però pocs nous materials poden complir els estàndard Amplia el procés, l’elevada investigació i desenvolupament de nous materials i els costos de producció i altres factors. Molts processos de fabricació d’elèctrodes estan limitats per processos complexos i difícils d’escala, elevats costos d’R + D i la producció de nous materials i altres factors, cosa que dificulta la producció i l’aplicació a gran escala.
Avui en dia, els elèctrodes de metall no precis (Ni, Fe, Mo, CO, etc.) s’utilitzen àmpliament en grans dipòsits d’electròlisi. Actualment, la majoria dels elèctrodes que s’utilitzen en els dipòsits d’electròlisi alcalina a gran escala a la Xina són els elèctrodes de níquel raney preparats per un procés de polvorització tèrmica, que es basa generalment en malla de níquel i ruixat amb el catalitzador de catalitzadors de metall no precis Elèctrodes de valor per diners.
Amb l’optimització contínua del rendiment dels elèctrodes, la necessitat d’anar més enllà per aconseguir la relació qualitat -preu requereix augmentar el nombre i l’activitat dels llocs catalíticament actius. S’ha de realitzar l’optimització a una escala més microscòpica, com ara utilitzar Ni Mesh com a substrat, millorar els paràmetres o formulacions del procés de polvorització, ruixar i fabricar elèctrodes de níquel raney amb una superfície específica més gran o catalitzador Les reaccions a una tensió de cambra determinada i el rendiment dels elèctrodes es milloraran encara més. El rendiment dels elèctrodes es millorarà encara més.
(Figura: Esquema de la preparació de diversos elèctrodes alcalins)
Amb una àmplia gamma de productes d’elèctrodes al mercat, com trieu el millor dels millors?
El laboratori i el lloc de prova d’hidrogen de Sany Hydrogen proporcionen un suport de dades suficient per a la selecció d’elèctrodes. Sany Hydrogen Laboratory avalua el rendiment dels productes d’elèctrodes en múltiples dimensions, com el potencial, l’enllaç i l’estabilitat, i selecciona productes d’elèctrodes segons els estàndards de Sany. En la fase de cribratge de laboratori, no es prefereixen productes amb un excel·lent rendiment inicial, però no es prefereixen els productes amb un excel·lent rendiment inicial, però una mala estabilitat operativa a llarg termini o una mala força d’unió; Els productes amb un rendiment inicial mitjà, però el bon rendiment operatiu a llarg termini no estan poc seleccionats i els elèctrodes seran seleccionats segons una avaluació completa de la situació del producte. Després d’això, els elèctrodes analitzats es provaran al dipòsit, s’executaran amb l’electrolitzador del lloc de prova de Sany Hydrogen Changsha, i després s’avaluarà en múltiples dimensions en diverses condicions de funcionament per optimitzar els elèctrodes de nou, per aconseguir la superioritat dels productes d’elèctrodes amb els fets i les dades.
Veient el més petit dels diafragmes
Per a un sistema d’electròlisi d’aigua alcalina eficient i fiable, a més d’un catalitzador altament actiu, el diafragma no només té el paper de separar el càtode i l’ànode, evitant la barreja d’hidrogen i oxigen, sinó que també afecta el consum d’energia de l’electrolitzador i és un material clau per assegurar un funcionament segur. Els materials de diafragma ideals han de tenir una bona conductivitat iònica, baixa resistivitat, barrera elevada de gas, gruix prim, alta resistència mecànica i durabilitat a llarg termini en electròlit alcalí de temperatura alta i alta concentració.
L’electròlisi d’aigua alcalina s’ha desenvolupat a través de 3 generacions de diafragma d’amiant, diafragma PPS i diafragma compost.
El diafragma de l’amiant és el tradicional diafragma d’electrolitzador alcalí, que té els avantatges de la resistència alta, la resistència a la corrosió, la resistència a la temperatura i la bona hidrofilicitat, però s’ha eliminat a causa de la carcinogenicitat.
PPS diaphragm has excellent heat resistance, high mechanical strength, and excellent electrical properties, but due to poor hydrophilicity, large thickness (>500 μm) i una gran mida de forat, sol presentar una alta resistència i iònica i permeabilitat, donant lloc a un alt consum d’energia i una fàcil interconjugació d’hidrogen i oxigen, que es pot millorar mitjançant la modificació de la superfície i altres mètodes per millorar la seva hidrofilicitat. Tanmateix, fins i tot si la hidrofilicitat es millora mitjançant l’acoblament de grups hidròfils orgànics a la superfície, encara és difícil resoldre completament els problemes com la pobra barrera del gas.
La tercera generació de diafragma està recoberta de recobriment funcional inorgànic a la superfície del teixit PPS, similar a l'estructura sandvitx del diafragma compost orgànic-inorgànic, que s'ha convertit en la direcció principal de la investigació de diafragma actual. El recobriment funcional inorgànic a la superfície del diafragma compost té una estructura microporosa uniforme, que no només millora molt la hidrofilicitat i la barrera de l’aire, sinó que també redueix la resistència iònica i el gruix del diafragma.
(Figura: Tensió d'aigua electrolítica (4 ka/m2) per a una sola cèl·lula electrolítica amb diferents diafragmes)
Actualment, el diafragma compost nacional i estranger s’ha comercialitzat amb èxit en el cas electrolitzador, el futur dels materials de diafragma es basarà en el diafragma compost, cap al desenvolupament de la resistència a la corrosió més alta, per evitar que l’hidrogen i l’oxigen creuen la penetració creuada, així com una conductivitat iònica més elevada de la direcció del diafragma Al mateix temps, per millorar la puresa del gas d’hidrogen tant com sigui possible.
Sany Hydrogen Energy té estàndards i processos estrictes per a la cribratge de diafragmes igual que els elèctrodes. Per al diafragma PPS utilitzat en l’aplicació principal de l’electrolitzador circular, el laboratori d’energia d’hidrogen de Sany té més de 10 tipus de capacitats de prova de rendiment, incloses la tensió d’aire, la resistència a la superfície, etc., per avaluar de forma exhaustiva el rendiment del diafragma PPS. Després de l’optimització, els productes PPS s’executen a l’electrolitzador i les dades de prova de rendiment i les dades de funcionament reals s’utilitzen com a criteris d’avaluació per optimitzar els productes PPS. Per als diafragmes compostos, l’energia d’hidrogen Sany té productes electrolitzadors quadrats per combinar. Pel que fa a la preferència del diafragma compost, combinat amb l’ús real de les condicions laborals, davant la situació única del diafragma compost com la resistència a l’abrasió i la preservació de la humitat, s’estableixen diverses proves i es prefereixen productes de diafragma compostos i fàcils d’operar fàcilment.
La tecnologia de producció d’electròlisi d’aigua alcalina existent és altament madura, senzilla i de baix cost, i ja s’ha aplicat a gran escala a projectes de producció d’electròlisi a gran escala a les tres parts del nord de la Xina i en altres regions. En el futur, tant la construcció de nous sistemes d’energia, la necessitat urgent de la capacitat de consum d’energia eòlica a gran escala, com la demanda d’oferta d’hidrogen verd de baix cost a la indústria química, el transport i altres camps requeriran tancs d’electròlisi capaços d’adaptar-se a l’energia elèctrica fluctuant de l’energia eòlica.
Tanmateix, la tecnologia industrial actual persegueix principalment la capacitat de producció d’hidrogen d’un sol tanc com a objectiu i fa millores similars, mentre que els avenços tecnològics que poden millorar els problemes de baixa densitat de corrent i un mal rendiment dinàmic són relativament limitats. La nova demanda d’electricitat verda per produir hidrogen verd ha presentat requisits més elevats per als materials clau de la tecnologia d’electròlisi d’aigua alcalina. Els elèctrodes i els diafragmes d’electròlisi d’aigua alcalina s’han convertit en una de les principals direccions per a la investigació i la influència de futures aplicacions industrials i, finalment, realitzant una producció i aplicació de material de baix cost i d’alt rendiment i realitzant una veritable relació qualitat-preu.
Sany Hydrogen té una clara comprensió de la direcció del desenvolupament d’electrolitzadors, que, combinat amb l’optimització contínua d’elèctrodes i productes de diafragma al mercat, pot aportar productes d’electrolitzadors líders a la indústria energètica d’hidrogen.
En el futur, Sany Hydrogen continuarà centrant -se en la ruta tecnològica "3+1" del dipòsit rodó, el dipòsit quadrat, el tanc PEM i el BOP, i millorar i reforçar contínuament les set competències bàsiques del disseny integrat, la investigació i el desenvolupament de materials, la simulació i l'anàlisi, la prova i la verificació, el control elèctric, el procés de fabricació i el disseny de seguretat d'hidrogen. Mentrestant, Sany Hydrogen espera aprofundir en la cooperació amb els clients de la indústria, els instituts de disseny, els proveïdors, els instituts de recerca, les organitzacions de la indústria, etc., buscar el desenvolupament d’alta qualitat d’equips energètics d’hidrogen i aportar solucions de Sany i Sany per aconseguir l’objectiu del “doble carboni”.
Citant literatura:
1. Electrocatalitzadors de laboratori de pont amb electrolitzadors d'aigua alcalins rellevants industrialment
2. Estudi sobre les propietats del diafragma i els materials d'ànodes per a la producció d'hidrogen a partir d'aigua electrolítica alcalina
