Новый фаворит водородной энергетики: как вспененный железоникелевый сплав меняет электролизеры для производства водорода

1. Новая эра водорода

С момента своего открытия в XVI веке водород считался важнейшим источником чистой энергии благодаря своей распространенности, высокой плотности энергии, а также экологически чистым свойствам и низкому уровню выбросов углерода.

В настоящее время процессы производства водорода классифицируются по выбросам углерода на серый водород, синий водород и зеленый водород. Среди них зеленый водород, получаемый путем электролиза воды с использованием возобновляемой энергии, не выделяет парниковых газов или вредных веществ и отличается высокой чистотой. Это самый чистый метод производства водорода, который представляет собой основное будущее направление водородной энергетики.

Зеленый водород в основном получают путемэлектролиз воды, где электролизер разделяет воду на водород и кислород. В настоящее время существует четыре основных технологии электролиза: ALK (щелочной электролиз воды), PEM (протонообменная мембранная электролиз), SOEC (твердооксидная электролитическая ячейка) и AEM (твердополимернаяВна электролизе обменной мембраны).

В контексте глобальной углеродной нейтральности зеленый водород, несомненно, стал ключевой областью в энергетическом переходе. Способность технологии электролизера дополнительно снижать затраты и повышать эффективность имеет решающее значение для ее будущего успеха в этой жизненно важной области.

2. Основа: щелочные электролизеры

ALK (щелочной электролиз воды) для производства водорода происходит в щелочной электролитной среде, обычно с использованием растворов KOH или NaOH. Самым большим преимуществом этой технологии электролиза является то, что как анодные, так и катодные пластины не содержат драгоценныхМеталлs, что приводит к самой низкой стоимости электролизера. Кроме того, этот тип электролизера является наиболее коммерчески зрелым, имеет большой опыт эксплуатации и доминирует на рынке. Ключевые показатели производительности некоторого отечественного критического оборудования достигли международного передового уровня, предлагая крупномасштабное производство водорода на ячейку, что делает их легко адаптируемыми для электролиза с питанием от сети.

Щелочной электролизер в основном состоит из таких компонентов, как концевые пластины, прокладки, биполярные пластины,Электродпластины и диафрагмы. Электролизер состоит из десятков или даже сотен электролитических ячеек, сжатых вместе винтами и торцевыми пластинами, чтобы сформировать цилиндрическую или квадратную форму. Каждая электролитическая ячейка, ограниченная двумя соседними пластинами, включает шесть частей: положительные и отрицательные биполярные пластины, анодный электрод, диафрагму, уплотнительную прокладку и катодный электрод.

Важно, что электрод щелочного электролизера — это место, где происходят электрохимические реакции, и он является ключом к определению эффективности производства водорода электролизером. Большинство электродов, используемых в больших бытовых щелочных электролизерах, основаны на никеле, например, чистая никелевая сетка, вспененный никель или подложки из чистой никелевой сетки/вспененного никеля, покрытые высокоактивными катализаторами. Среди них вспененный никель — недорогой и зрелый продукт. Его электродный материал заполнен многочисленными микропорами, что обеспечивает огромную площадь поверхности. Это значительно увеличивает площадь контакта между раствором и электродом, сокращает расстояние массопереноса и значительно повышает эффективность реакции электролиза.

Материал из вспененного железоникелевого сплавапревосходит традиционные материалы на основе никеля, обеспечивая больше активных участков выделения кислорода, а его каталитическая эффективность значительно выше. Это «мастерский ход» для электролиза щелочной воды для дальнейшего прорыва и продвижения. Согласно авторитетным испытаниям, в реальных рабочих условиях эффективность электролиза щелочной воды с использованием пенного железоникеля превосходит традиционную никелевую сетку. На основе современных отечественных и международных передовых исследований потребление энергии постоянного тока может составлять всего 4,0-4,3 кВтч/стандартный кубический метр, при этом энергоэффективность достигает 80-85%.

3. Расцвет электролизеров AEM

Электролиз воды с использованием твердополимерной анионообменной мембраны (AEM) — это процесс производства водорода, в котором в качестве сепаратора используется недорогая анионообменная мембрана, в качестве электролита — слабоконцентрированный щелочной раствор или чистая вода, а в качестве катализаторов реакции — недрагоценные металлы.

В электролизерах AEM анод обычно состоит из оксидов переходных металлов (например, оксида никеля, оксида кобальта), тогда как катод, как правило, изготавливается из драгоценных металлов или их сплавов, таких как никель, платина или палладий.

Реакция на аноде: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Реакция на катоде: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Упомянутые здесь 4OH− — это анионы, выделенные в этом процессе. Под действием анионообменной мембраны OH−, образующиеся на катоде, могут перемещаться к аноду, увеличивая концентрацию OH− на анодной стороне, что приводит к образованию большего количества кислорода и воды на аноде. Это, естественно, оставляет более чистый водородный продукт на катоде.

Основная роль материалов катода и анода заключается в катализе реакции расщепления воды и эффективном выводе полученных водорода и кислорода. Поэтому материалы катода и анода должны обладать высокой каталитической активностью и пористостью. Для плавного протекания электродных реакций материалы катода и анода должны также иметь высокую анионную и электронную проводимость.

В настоящее время наиболее широко используемыми катодными материалами являются никелевые сплавы, а анодными материалами в первую очередь являются сплавы никеля и железа. Железо и никель не только проявляют сильную каталитическую активность для расщепления воды, но также широко доступны и недороги. Поскольку AEM не работает в высококоррозионных средах, он не требует использования драгоценных металлических катализаторов, таких как иридий или титан, в анодных и катодных материалах. Это значительно снижает стоимость производства оборудования AEM, а его производительность не уступает производительности технологии PEM, что делает его основным направлением для новых разработок водородных электролизеров во всем мире.

4. На гребне волны: подъемПена железо-никель

Будь то современная технология ALK (щелочной электролиз) или новая технология AEM, пенный железо-никель предлагает уникальные преимущества в применении и широкие перспективы.

Характеристики материала: революционная конструкция 3D-сетки

• Сверхвысокая удельная площадь поверхности:С размерами пор от 20 до 450 мкм и пористостью ≥98% его активная площадь поверхности в сотни раз больше, чем у плоских электродов. Это значительно увеличивает скорость реакции, резко увеличивает площадь контакта между раствором и электродом, сокращает расстояние массопереноса и значительно повышает эффективность реакции электролиза.
• Эффективный катализ: Поверхность пенного железоникеля покрыта катализаторами на основе никеля и железа. Эти катализаторы способствуют реакции электролиза воды, которая расщепляет воду на водород и кислород.
• Структурная поддержка:Трехмерная структура пеноникеля обеспечивает отличную поддержку, помогая сохранять стабильность и структурную целостность электрода, гарантируя длительную эксплуатацию.
• Высокая проводимость:И железо, и никель являются хорошими проводниками электричества, а трехмерная структура пенистого железоникеля обеспечивает большую площадь поверхности, способствуя распределению тока.

Применение каталитического слоя

В настоящее время каталитические слои электролизера в основном включаютанодный каталитический слой (OER-CL)иКатализатор катодного слоя (HER-CL), которые облегчают реакцию выделения кислорода (OER) и реакцию выделения водорода (HER) соответственно. Поскольку и OER, и HER проявляют кинетическую инертность, катализаторы обычно загружаются на электроды для повышения активности реакции и снижения потребления энергии. Это функция слоя катализатора (CL). Поскольку катализаторы на основе Ni демонстрируют высокую активность и отличную коррозионную стойкость в щелочных средах и более стабильны, чем другие переходные металлы (такие как Fe, Co), они широко используются в качестве катализаторов как OER, так и HER. Из-за своего высокого сродства к кислороду Fe имеет тенденцию адсорбировать виды OH− и поэтому часто используется в качестве кинетического промотора OER.Материал из вспененного сплава никеля и железа, сочетающий в себе свойства металлов NiFe, показывает значительные преимущества при использовании в качестве анодного материала для производства водорода.

Нанесение диффузионного слоя

Газодиффузионный слой (ГДС) в основном используется для диффузии газа — водорода на катоде и кислорода на аноде. Кроме того, благодаря своей металлической проводимости и теплопроводности он также облегчает перенос электронов и тепла, поэтому его называют пористым транспортным слоем (ПТС). В настоящее время в качестве материала диффузионного слоя на рынке широко используется пеноникель. Кроме того, высококачественный, экономически эффективный пеножелезо-никель теперь является более экономичным выбором.