สามเส้นทางทางเทคนิคสำหรับการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำอิเล็กโทรไลต์ - อิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ พีอีเอ็ม และออกไซด์ของแข็ง
โดยหลักการแล้ว อิเล็กโทรลิซิสของน้ำสำหรับการผลิตไฮโดรเจนเป็นกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่โมเลกุลของน้ำแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนที่แคโทดและแอโนด ตามลำดับ ภายใต้การกระทำของไฟฟ้ากระแสตรง ขึ้นอยู่กับหลักการของปฏิกิริยา มีตัวเลือกหลักอยู่สามตัวเลือก: อิเล็กโทรลิซิสในน้ำอัลคาไลน์ (เอแอลเค ), อิเล็กโทรลิซิสในน้ำบริสุทธิ์ด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (พีอีเอ็ม ) และอิเล็กโทรไลซิสน้ำออกไซด์ของแข็ง (สอศ ) อิเล็กโทรลิซิสในน้ำอัลคาไลน์ (เอแอลเค ) และอิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (พีอีเอ็ม ) สำหรับการผลิตไฮโดรเจนเปิดตัวในเชิงพาณิชย์แล้ว ในขณะที่อิเล็กโทรไลซิสออกไซด์ของแข็งอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาในห้องปฏิบัติการ
อัลคาไลน์อิเล็กโทรไลซิส (เอแอลเค ): อัลคาไลน์อิเล็กโทรไลซิสใช้สารละลายที่มีน้ำเป็นด่าง เช่น เกาะ เป็นอิเล็กโทรไลต์และผ้าไม่ทอ (ฟลูออรีนหรือฟลูออรีนคลอรีนโพลิเมอร์) เป็นไดอะแฟรมกับน้ำอิเล็กโทรไลต์เพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนภายใต้กระแสตรง ผลผลิตของก๊าซจะแปรผันตามกระแสและปริมาณการใช้ไฟฟ้าต่อหน่วยของผลผลิตของก๊าซจะสัมพันธ์กับแรงดันอิเล็กโทรลิซิสและอุณหภูมิปฏิกิริยา แรงดันการสลายตัวของน้ำตามทฤษฎีคือ 1.23V และการใช้พลังงานตามทฤษฎีคือ 2.95kWh/m3 ในขณะที่การใช้พลังงานจริงของอิเล็กโทรไลซิสของน้ำอัลคาไลน์อยู่ที่ประมาณ 5.5kWh/m3 และประสิทธิภาพการแปลงของอิเล็กโทรไลเซอร์อยู่ที่ประมาณ 60%
เอแอลเค มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มาเกือบ 100 ปีแล้ว และเทคโนโลยีนี้ค่อนข้างพัฒนาแล้ว โดยมีอายุการใช้งาน 15-20 ปี และมีราคาเพียงหนึ่งในห้าของอิเล็กโทรไลเซอร์ พีอีเอ็ม ที่มีขนาดเท่ากัน
ข้อเสีย: ขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพต่ำ และการตอบสนองไดนามิกช้า 1) ขนาดของอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์นั้นใหญ่กว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ พีอีเอ็ม มากสำหรับการผลิตไฮโดรเจนในระดับเดียวกัน เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาช้าและความหนาแน่นกระแสต่ำเนื่องจากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ไม่มีค่า 2) สารละลายอัลคาไลน์มีการบำรุงรักษามาก ดังนั้นจึงต้องมีการบำรุงรักษาบ่อยครั้ง 3) เวลาเริ่มต้นเครื่องเย็นของอิเล็กโทรไลเซอร์ เอแอลเค คือ 1-2 ชั่วโมง เนื่องจากต้องใช้พลังงานในการให้ความร้อนแก่อิเล็กโทรไลต์ 4) ไดนามิกของอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์นั้นช้าและไม่สามารถติดตามการผลิตพลังงานหมุนเวียนที่ผันผวนได้ดี นอกจากนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตไฮโดรเจนมีความบริสุทธิ์ อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์จะต้องรักษาระดับพลังงานมากกว่า 20% ของกำลังไฟที่กำหนด
อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (พีอีเอ็ม ): การอิเล็กโทรไลซิสแบบ พีอีเอ็ม ของน้ำสำหรับการผลิตไฮโดรเจนและขั้นตอนการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง พีอีเอ็ม เป็นกระบวนการที่ผกผันซึ่งกันและกัน ส่วนประกอบหลักของเซลล์ พีอีเอ็ม ทั่วไป ได้แก่ เมมเบรนอิเล็กโทรด (เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ชั้นเร่งปฏิกิริยา ชั้นการแพร่กระจาย) แผ่นไบโพลาร์ แผ่นอีพอกซีเรซิน และแผ่นปิดท้าย ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นส่วนต่อประสานสามเฟสประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวกลางในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน และตัวกลางในการถ่ายโอนโปรตอน ซึ่งเป็นแกนหลักของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง โดยปกติจะเป็นเมมเบรนของกรดเปอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก เพื่อแยกแคโทดจากการสร้างก๊าซ เพื่อป้องกันการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและการถ่ายโอนโปรตอน
ข้อดี: ประสิทธิภาพสูง ไม่มีสารละลายอัลคาไลน์ ขนาดเล็ก ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ การตอบสนองไดนามิกที่ดี ฯลฯ การใช้พลังงานที่สอดคล้องกันของเทคโนโลยีอิเล็กโทรลิซิส พีอีเอ็ม อยู่ที่ประมาณ 5.0kWh/m3 และประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 70% เมื่อเปรียบเทียบกับ เอแอลเค แล้ว ระบบอิเล็กโทรลิซิสในน้ำ พีอีเอ็ม ไม่ต้องการการขจัดความเป็นด่าง ในขณะเดียวกัน เซลล์อิเล็กโทรลิซิส พีอีเอ็ม มีขนาดกะทัดรัดและไดนามิกมากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานแบบอนุกรมกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ผันผวน
ข้อเสีย: ค่าใช้จ่ายสูงเนื่องจากต้องใช้โลหะมีค่า ปัจจุบันมีเพียงโลหะมีค่าเช่นอิริเดียมและรูทีเนียมเท่านั้นที่สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ เพื่อลดต้นทุนวัสดุของตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรไลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการโหลดโลหะมีค่าของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าแคโทดและแอโนด และเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของอิเล็กโทรไลเซอร์ ถือเป็นงานวิจัยหลักที่สำคัญสำหรับการพัฒนากระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า พีอีเอ็ม สำหรับการผลิตไฮโดรเจน .
แข็ง ออกไซด์ อิเล็กโทรไลเซอร์ (สอศ ): ทำงานที่ประมาณ 800°C ซึ่งเป็นเทคโนโลยีอิเล็กโทรลิซิสในน้ำที่มีแนวโน้มสูงเมื่อเทียบกับอัลคาไลน์อิเล็กโทรไลซิสและ พีอีเอ็ม อิเล็กโทรไลซิสซึ่งทำงานที่ประมาณ 80°C มันยังอยู่ในขั้นตอนของการพัฒนาในห้องปฏิบัติการ วัสดุแคโทดสำหรับ สอศ ที่อุณหภูมิสูงโดยทั่วไปคือเซอร์เมตที่มีรูพรุน พรรณี /ปปส (อิตเทรียมเจือเซอร์โคเนีย) และวัสดุแอโนดส่วนใหญ่เป็นชัลโคจิไนด์ออกไซด์ โดยมีความเป็นไปได้ที่จะเกิด ส.ป.ก (แลนทานัมสตรอนเทียมโคบอลต์เหล็ก) ในอนาคต อิเล็กโทรไลต์ระดับกลางคือตัวนำไอออนออกซิเจน ปปส ไอน้ำที่ผสมกับไฮโดรเจนจำนวนเล็กน้อยเข้ามาจากแคโทด (จุดประสงค์ของการผสมไฮโดรเจนคือเพื่อให้แน่ใจว่าบรรยากาศที่ลดลงที่แคโทดและเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของวัสดุแคโทด พรรณี ) ซึ่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรลิซิสจะเกิดขึ้นในรูปแบบ H2 และ O2-, ซึ่งผ่านชั้นอิเล็กโทรไลต์ไปยังแอโนด ซึ่งจะสูญเสียอิเล็กตรอนไปในรูปของ O2 สอศ ยังเป็นการดำเนินการย้อนกลับของ สอฟ
(1) ไม่เหมือนกับอิเล็กโทรไลซิสในน้ำอัลคาไลน์และอิเล็กโทรไลซิสในน้ำ พีอีเอ็ม อิเล็กโทรไลซิสในน้ำออกไซด์ของแข็งที่อุณหภูมิสูงใช้โซลิดออกไซด์เป็นวัสดุอิเล็กโทรไลต์และทำงานที่ 800-1000°C ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้นถึง ≥90% (2) อิเล็กโทรไลเซอร์สามารถใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ไม่มีค่าได้และทำจากวัสดุเซรามิกทั้งหมด ช่วยลดปัญหาการกัดกร่อนของอุปกรณ์ ปัญหาการกัดกร่อนของอุปกรณ์จะลดลง
ข้อเสีย: ความทนทานต่ำ สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิและความชื้นสูงจะจำกัดการเลือกใช้วัสดุสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีความเสถียร ใช้งานได้ยาวนาน และทนทานต่อการสลายตัว ซึ่งจำกัดทางเลือกของสถานการณ์การใช้งานสำหรับเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนของ สอศ และการใช้งานอย่างแพร่หลาย