Vatnsrafgreining fyrir vetni

Rafgreining er vænlegur kostur fyrir kolefnislausa vetnisframleiðslu úr endurnýjanlegum og kjarnorkuauðlindum. Rafgreining er ferlið við að nota rafmagn til að skipta vatni í vetni og súrefni. Þetta hvarf fer fram í einingu sem kallast rafgreiningartæki. Rafgreiningartæki geta verið að stærð allt frá litlum tækjastærð búnaði sem hentar vel til dreifðrar vetnisframleiðslu í litlum mæli til stórfelldra, miðlægra framleiðslustöðva sem gætu tengst beint við endurnýjanlegar eða aðrar tegundir sem losa ekki gróðurhúsalofttegundir. raforkuframleiðslu.

Hvernig virkar það
Eins og efnarafal samanstanda rafgreiningartæki af rafskauti og bakskauti sem eru aðskilin með raflausn. Mismunandi rafgreiningartæki virka á mismunandi hátt, aðallega vegna mismunandi tegunda raflausnarefna sem um er að ræða og jónategunda sem það leiðir.

Polymer raflausn himnu rafgreiningar
Í rafgreiningartæki fyrir fjölliða raflausnhimnu (PEM) er raflausnin solid sérhæft plastefni.

Vatn hvarfast við forskautið og myndar súrefni og jákvætt hlaðnar vetnisjónir (róteindir).
Rafeindirnar streyma í gegnum ytri hringrás og vetnisjónirnar fara sértækt yfir PEM til bakskautsins.
Við bakskautið sameinast vetnisjónir rafeindum frá ytri hringrásinni og mynda vetnisgas. Rafskautahvörf: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Bakskautahvörf: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalín rafgreiningartæki
Alkalískir rafgreiningartæki starfa með flutningi hýdroxíðjóna (OH-) í gegnum raflausnina frá bakskautinu til rafskautsins með vetni sem myndast á bakskautshliðinni. Rafgreiningartæki sem nota fljótandi basíska lausn af natríum- eða kalíumhýdroxíði sem raflausn hafa verið fáanlegir í mörg ár. Nýrri aðferðir með því að nota solid alkaline exchange membranes (AEM) þar sem raflausnin sýnir loforð á rannsóknarstofum.

Fast oxíð rafgreiningartæki
Fast oxíð rafgreiningartæki, sem nota fast keramik efni sem raflausn sem sértækt leiðir neikvætt hlaðnar súrefnisjónir (O2-) við hærra hitastig, mynda vetni á aðeins annan hátt.
Gufa við bakskautið sameinast rafeindum frá ytri hringrásinni til að mynda vetnisgas og neikvætt hlaðnar súrefnisjónir.
Súrefnisjónirnar fara í gegnum fasta keramikhimnuna og hvarfast við forskautið til að mynda súrefnisgas og mynda rafeindir fyrir ytri hringrásina.
Rafgreiningartæki með föstu oxíði verða að starfa við nógu hátt hitastig til að himnurnar í föstu oxíðinu virki rétt (um 700 gráður –800 gráður, samanborið við PEM rafgreiningartæki, sem starfa við 70 gráður –90 gráður, og almenna basíska rafgreiningartæki, sem venjulega starfa við minna en 100 gráður). Háþróaðir rafgreiningartæki fyrir fast oxíð á rannsóknarstofum sem byggja á róteindaleiðandi keramik raflausnum sýna fyrirheit um að lækka rekstrarhitastigið í 500 gráður -600 gráður. Föst oxíð rafgreiningartækin geta í raun notað hita sem er tiltækur við þetta hækkaða hitastig (frá ýmsum aðilum, þar á meðal kjarnorku) til að minnka magn raforku sem þarf til að framleiða vetni úr vatni.

Hvers vegna er verið að skoða þessa leið
Rafgreining er leiðandi vetnisframleiðsluleið til að ná Hydrogen Energy Earthshot markmiðinu um að lækka kostnað við hreint vetni um 80% í $1 á hvert kíló á 1 áratug ("1 1 1"). Vetni sem framleitt er með rafgreiningu getur leitt til engrar losunar gróðurhúsalofttegunda, allt eftir uppruna raforkunnar sem notuð er. Við mat á ávinningi og hagkvæmni vetnisframleiðslu með rafgreiningu verður að hafa í huga uppruna nauðsynlegrar raforku, þar á meðal kostnað og hagkvæmni, svo og losun sem stafar af raforkuframleiðslu. Á mörgum svæðum landsins er raforkukerfi nútímans ekki tilvalið til að útvega þá raforku sem þarf til rafgreiningar vegna losunar gróðurhúsalofttegunda og magns eldsneytis sem þarf vegna lítillar skilvirkni raforkuframleiðsluferlisins. Unnið er að vetnisframleiðslu með rafgreiningu fyrir endurnýjanlega (vind-, sól-, vatns-, jarðvarma) og kjarnorkuvalkosti. Þessar vetnisframleiðsluleiðir leiða til nánast engrar losunar gróðurhúsalofttegunda og viðmiðunarmengunar; Hins vegar þarf að lækka framleiðslukostnað umtalsvert til að vera samkeppnishæf við þroskaðari kolefnisbundnar leiðir eins og umbætur á jarðgasi.

Möguleiki á samlegðaráhrifum með endurnýjanlegri orkuframleiðslu
Vetnisframleiðsla með rafgreiningu getur boðið upp á samlegðaráhrif með kraftmikilli og hléum raforkuframleiðslu, sem er einkennandi fyrir suma endurnýjanlega orkutækni. Til dæmis, þó að kostnaður við vindorku hafi haldið áfram að lækka, þá er eðlislægur breytileiki vindsins hindrun fyrir skilvirka notkun vindorku. Hægt væri að samþætta vetniseldsneyti og raforkuframleiðslu í vindorkuveri, sem gerir sveigjanleika kleift að breyta framleiðslu til að passa aðgengi að auðlindum sem best við rekstrarþarfir kerfisins og markaðsþætti. Einnig á tímum umframframleiðslu raforku frá vindorkuverum, í stað þess að skerða rafmagnið eins og almennt er gert, er hægt að nota þetta umframrafmagn til að framleiða vetni með rafgreiningu.

Það er mikilvægt að hafa í huga...
Netrafmagn í dag er ekki kjörinn raforkugjafi fyrir rafgreiningu vegna þess að megnið af rafmagninu er framleitt með tækni sem veldur losun gróðurhúsalofttegunda og er orkufrek. Raforkuframleiðsla með endurnýjanlegri eða kjarnorkutækni, annaðhvort aðskilin frá netinu eða sem vaxandi hluti af netblöndunni, er mögulegur kostur til að sigrast á þessum takmörkunum fyrir vetnisframleiðslu með rafgreiningu.

Í rafgreiningarferli eiga sér stað tvö mismunandi jónunarferli á sama tíma. Bæði vatn og raflausn keppa í þessu máli.

Raflausn fer í gegnum sama jónunarferli og vatn. Sama oxun og minnkun myndi eiga sér stað í raflausn.
Vegna þess að anjón úr raflausninni keppir við hýdroxíðjónirnar um að gefa frá sér rafeind og katjón keppir við vetnisjónina um að minnka með því að taka við rafeindinni, verður að velja raflausn með varúð.

Katjón raflausnarinnar verður að hafa minni rafskautsgetu en H+. Mundu alltaf í hvaða rafgreiningu sem er að rafskautsgetu katjónar raflausnarinnar ætti að vera minni en rafskautsgetu katjónar efnisins sem verið er að rafgreina og rafskautsgetu anjónar raflausnarinnar ætti að vera meira en rafskautsgetu anjónarinnar efnið sem verið er að rafgreina.

Framleiðsla á grænu vetni með endurnýjanlegum orkugjöfum hefur vakið nægan áhuga á rafgreiningu vatns til að framleiða vetni. Vatnsrafgreining með endurnýjanlegum orkugjöfum án koltvísýringslosunar er talin vænleg aðferð til að auka hraða vetnisframleiðslu. Árið 2020 voru um 87 milljónir tonna af vetni framleidd um allan heim til ýmissa nota, þar á meðal olíuhreinsun, framleiðslu á ammoníaki (NH3) (með Haber ferli) og metanóli (CH3OH) (með kolmónoxíð [CO] minnkun), og eins og flutningseldsneyti. Gert er ráð fyrir að eftirspurn eftir vetni nái 500-680 milljónum tonna árið 2050. Vetnisframleiðslumarkaðurinn var metinn á 130 milljarða dollara frá 2020 til 2021 og búist er við að hann muni vaxa um 9,2% á ári fram til ársins 2030. En það er afli: yfir 95% af núverandi vetnisframleiðslu er byggt á jarðefnaeldsneyti, þar sem mjög lítið er "grænt." Í dag eyðir vetnisframleiðsla 6% af jarðgasi á heimsvísu og 2% af kolum í heiminum. Engu að síður er græn vetnisframleiðslutækni að ná vinsældum.

Rafgreining er ferli sem notar rafmagn til að skipta vatni í H2 og O2. Flæði rafeinda í gegnum leiðandi leið, eins og vír, er það sem rafmagn er. Þessi leið er þekkt sem hringrás. Rafeindirnar hreyfast vegna rafspennumunarins á rafskautinu og bakskautinu. Forskautið hefur fleiri rafeindir og er óstöðugra vegna rafeindaþrengslna. Rafeindirnar vilja endurraða sér til að eyða mismuninum. Rafeindir hrinda hver annarri frá sér og reyna að færa sig á stað með færri rafeindir. Það er bakskaut.
Þar sem hreint vatn leiðir ekki rafmagn er vatnsklofin hæg afoxunarviðbrögð.

Efnafræði
Í rafgreiningartækinu er ein bakskaut og eitt rafskaut tengd aflgjafa. Rafeindir streyma alltaf frá rafskaut til bakskauts, sama hvað. Bakskautið er alltaf þar sem minnkun á sér stað og því þurfa rafeindir að vera til staðar. Oxun er tap rafeinda og minnkun er ávinningur rafeinda.
Í stuttu máli, við neikvætt hlaðna bakskautið, á sér stað afoxunarhvarf þar sem rafeindir (e−) frá bakskautinu eru gefnar vetniskatjónum til að mynda vetnisgas
Bakskaut (afoxun):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Við jákvætt hlaðna forskautið eiga sér stað oxunarviðbrögð sem myndar súrefnisgas og gefur rafeindum til rafskautsins til að klára hringrásina
Rafskaut (oxun): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Sambland af þessum viðbrögðum veldur:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 er framleitt við bakskautið og O2 við rafskautið.
Rafgreining vatns krefst minnst 1,23 volts getumismunar, þó að við þá spennu þurfi ytri varmi frá umhverfinu.

Vatns rafgreining tvískauta frumustafla samanstendur af mörgum einstökum rafefnafræðilegum frumum í rafröð. Í reynd geta vatnsrafgreiningarfrumustaflar sem nýbúnir hafa verið stöðvaðir haldið umtalsverðri rafhleðslu vegna afgangs vetnis og súrefnis sem eru eftir innan hverrar frumu. Að óbreyttu getur það tekið margar klukkustundir fyrir þessa rafefnafræðilegu afgangshleðslu að hverfa. Þjónustu- og viðhaldsstarfsfólk kerfisins verður að gæta mikillar varúðar ef reynt er að þjónusta eða skipta út þessum klefastokkum fljótlega eftir notkun. Til dæmis gæti málmverkfæri eins og skiptilykil óvart brúað bil á milli rafstraumsplötu og jarðtengdrar málmstoðargrind, dregið mikinn straum eða rafboga með skemmdum og meiðslum sem óæskilegum afleiðingum. Starfsfólk sem notar ekki viðeigandi einangrandi hlífðarbúnað er einnig í hættu.

Bestu starfsvenjur fyrir viðhalds- og þjónustustarfsmenn eru að ganga úr skugga um að engin umtalsverð rafhleðsla sé eftir í klefanum áður en öryggishlífar og raftengingar eru fjarlægðar úr klefanum. Starfsfólki er bent á að framkvæma spennumælingu á frumustokknum til að ganga úr skugga um að frumustokkurinn sé tæmdur. Í sumum tilfellum getur þjónustustarfsfólk einnig notað rétt hannað þjónustuverkfæri sem samanstendur af hástraums skammstöfunarviðnámi yfir afhleypta klefann sem viðbótarvörn.

Vörur eru seldar á öllum svæðum Kína og fluttar út til landa um allan heim. Þeir hafa verið seldir í meira en 20 löndum og svæðum, þar á meðal Bandaríkjunum, Þýskalandi, Marokkó, Kenýa, Sádi Arabíu, Víetnam, Alsír, Indlandi, Tansaníu og Taívan. Veitt vel þekkt fyrirtæki eins og China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og önnur vel þekkt fyrirtæki. Það eru margar grænar vetnisvetnisvötnunarstöðvar eins og Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, osfrv. bjóða upp á græn og vetnisframleiðandi verkefni.