Was ist der Unterschied zwischen PEM und alkalischer Elektrolyse？

Ein wichtiges Herzstück erneuerbarer Energien Wasserstofferzeugung ist die hocheffiziente elektrolytische Wasserstoffproduktionstechnologie. Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist die elektrochemische Dissoziation von Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffgas, die an der Kathode bzw. Anode unter der Wirkung des Gleichstroms ausgefällt werden.

Anode: H2O → 1/2o2+2H ++ 2E- (1)

Kathode: 2H+2E- → H2 (2)

Gesamtreaktion: H2O → H2+1/2o2 (3)

Abhängig vom Elektrolytsystem, der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse kann in drei Arten unterteilt werden: alkalische Elektrolyse, Massenaustauschmembran (PEM) -Elektrolyse und feste Oxidelektrolyse. Das Grundprinzip aller drei ist dieselbe, d. H. Während der Redoxreaktion, die Der freie Austausch von Elektronen wird verhindert, und das Ladungsübertragungsprozess wird in die Übertragung von Elektronen in den externen Schaltkreis und die Übertragung von Ionen in den inneren Schaltkreis unterteilt, sodass Wasserstoffgas erzeugt und verwendet werden kann. Die Elektrolysereaktionsbedingungen sind unterschiedlich und der technische Vergleich zwischen den drei ist unten gezeigt.

Alkalische elektrolytische Wasserstoffproduktion

Die alkalische Flüssigelektrolyse -Technologie verwendet Koh- und NaOH -Wasserlösungen als Elektrolyt- und Quarz -Stoff als Zwerchfell. Die Reinheit des produzierten Wasserstoffgases beträgt etwa 99% und muss mit De-Alkal-Nebel behandelt werden. als 400 mA/cm2 und der Effizienz liegt normalerweise bei 60%.Die alkalische Flüssigelektrolyse wurde Mitte des 20. Jahrhunderts industrialisiert. Die Technologie ist ausgereift und hat eine Lebensdauer von 15 V. Die Hauptnachteile sind wie folgt:

1). In dem flüssigen Elektrolytsystem reagiert der verwendete alkalische Elektrolyte (z. B. KOH) mit CO2 in der Luft, um Carbonate (z. B. K2CO3) zu bilden, die unter alkalischen Bedingungen unlöslich sind, was zur Blockierung der porösen katalytischen Schicht beeinträchtigt wird, wodurch der die die Behinderung des Übertragung von Produkten und Reaktanten und erheblich reduzieren die Leistung des Elektrolyzer;

2) .Alkalische Flüssigelektrolytzellen haben lange Start-up-Vorlaufzeiten, eine langsame Lastreaktion und muss immer die Druckausgleich auf beiden Seiten der Anode und der Kathode der Elektrolytzelle aufrechterhalten, um zu verhindern, dass Wasserstoff und Sauerstoffgas durch die poröse Quarzmembran mischen und eine Explosion verursacht.

PEM -Wasserstofferzeugung

PEM-Elektrolyse von Wasser, die als Festpolymerelektrolytelektrolyse (SPE) von Wasser bezeichnet wird, wirkt nach dem folgenden Prinzip. Wasser (2H2O) erzeugt eine Hydrolysereaktion an der Anode und spaltet sich in ein Proton (4H+), ein Elektron (4E-) und Gas-Sauerstoff auf mit Hilfe eines elektrischen Feldes und eines Katalysators; Das 4H+ -Proton geht mit Hilfe einer elektrischen Potentialdifferenz durch eine Protonenaustauschmembran an die Kathode. Das 4E-Elektron wird über eine externe Schaltung durchgeführt, um die 4H + + 4e-Reaktion an der Kathode zu erzeugen, was zur Ausfällung von Wasserstoff (Gas) führt Mindestens viermal so hoch wie bei einem alkalischen Elektrolyzer und hat eine hohe Effizienz, eine hohe Gasreinheit, eine einstellbare Stromdichte, einen geringen Energieverbrauch, eine geringe Größe, keine alkalische Lösung und einen geringen Energieverbrauch. Es hat die Vorteile von hoher Effizienz, hoher Gasreinheit, Purität, hoher Gasreinheit,, es Einstellbare Stromdichte, geringem Energieverbrauch, geringe Größe, keine alkalische Lösung, grüne Umgebung, Sicherheit und Zuverlässigkeit und höhere Gasdruck usw. Es wird als eine der vielversprechendsten Technologien zur Produktion von Elektrolytwasserstoff im Bereich der Wasserstoffproduktion anerkannt.

Die Hauptkomponenten einer typischen PEM -Hydroelektrik -Zelle umfassen die Kathoden- und Anodenplatten, die Kathoden- und Anodengasdiffusionsschicht, die Kathode- und Anodenkatalysatorschicht und die Massenaustauschmembran. Die Kathodenanschlussplatte wird verwendet, um die elektrolytischen Zellkomponenten und Leiten Sie die Übertragung von Strom und die Verteilung von Wasser und Gas; Die Kathodengasdiffusionsschicht wird verwendet, um den Fluss zu sammeln und die Gasübertragung zu erleichtern. Die Kathodenkatalytikschicht ist eine dreiphasige Grenzfläche, die aus Katalysator, elektrischem Leitungsmedium und Massenleitungsmedium besteht, und ist die zentrale Stelle für elektrochemische Reaktionen. Die Massenaustauschmembran wird als fester Elektrolyt verwendet, wobei im Allgemeinen eine Perfluorosulfonsäuremembran verwendet wird. Als fester Elektrolyt wird eine Perfluorosulfonsäure -Membran im Allgemeinen verwendet Elektrolytisches Wasser erfordert einen hohen Katalysatorträger. Der ideale Katalysator sollte eine hohe Oberfläche und Porosität, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gute elektrokatalytische Eigenschaften aufweisen. Der ideale Katalysator sollte eine hohe Oberfläche und Porosität, hohe elektrische Leitfähigkeit, gute elektrokatalytische Eigenschaften, Langzeit-Langzeit-Eigenschaften aufweisen, langfristig mechanische und elektrochemische Stabilität, kleine Gasblaseneffekt, hohe Selektivität, niedrige Kosten und No-Toxizität. Die Katalysatoren, die die oben genannten Bedingungen erfüllen . Da IR und RU teuer und knapp sind, sind die Katalysatoren für die aktuellen PEM -Elektrolyseure nicht verfügbar.

Es besteht dringend erforderlich, die im PEM-Wasserelektrolyseer verwendete IRO2-Menge zu reduzieren, da die in PEM-Elektrolyzentier verwendete IR-Menge 2 mg/cm2. häufig überschreitet, dass Katalysatoren auf PT-Basis direkt in PEM-Wasserkathoden verwendet werden können. In diesem Stadium beträgt die PT -Beladung von PEM -Elektrolytkathoden 0,4 ~ 0,6 mg/cm2.Trotz der offensichtlichen Vorteile der Kopplung von PEM -Elektrolyt -Wasserstoffproduktionstechnologie mit erneuerbaren Energiequellen ist eine weitere Entwicklung erforderlich, um den Anforderungen erneuerbarer Energien in den folgenden Bereichen besser zu erfüllen Bereiche:

(1). Erhöhen Sie die Leistung der PEM-Wasserstoffproduktion, um den Nachfrage nach großem Maßstab für erneuerbare Energienverbrauch zu entsprechen;

(2), um die aktuelle Dichte und die Fähigkeit zu verbessern, mit weitläufigen Variationen zu arbeiten, um die Systemkosten zu senken und einen effizienten Verbrauch für erneuerbare Energien zu erzielen, sowie das Spitzenreiter des Hilfsnetzes zu erleichtern, die Belastung des Netzes zu verringern und die Energieverbrauchseffizienz zu verbessern ;

(3). Erhöhen Sie den Ausgangsdruck von Gas, erleichtern Sie die Gaslagerung und -transport, verringern Sie die Notwendigkeit anschließender Druckgeräte und verringern Sie den Gesamtenergieverbrauch.

Wasserstoffproduktion durch feste Oxidelektrolyse

Eine Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) ist die inverse Reaktion einer festen Oxid-Brennstoffzelle (SOFC).Das Kathodenmaterial ist im Allgemeinen eine poröse Metallkeramik von Ni/YSZ, das Anodenmaterial besteht haupt Das Mischen von Wasserstoff sorgt dafür , wo es seine Ladung verliert und zu O2. Die gute thermische und chemische Stabilität des Festoxids wird, wird das gesamte System bei hoher Temperatur mit niedriger Spannung elektrolysiert, was zu einem geringen Energieverbrauch und einer Systemeffizienz von bis zu 90 führt % für die Wasserstoffproduktion. Die Stabilität der Anoden- und Kathodenmaterialien unter hohen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen sowie der schnelle Abbau des Stapelsystems über einen langen Zeitraum muss jedoch noch gelöst werden. Als Ergebnis befindet sich die SOEC -Technologie noch in der Technologieentwicklungsphase. Mit einigen kleinen Demonstrationsprojekten in Karlsruhe, Deutschland, unterstützt von Projekten wie Helmeth.