Elektrolyse af vand for at producere H2 og O2
Titananoder, nøgledelene i elektrolytisk brint- og oxygenudstyr, har stabil kvalitet, er miljøvenlige og har ingen sekundær forurening, lavt overpotentiale, god energibesparende effekt og kan spare 15-20% af energien. Der er plade-, mesh-, rørformer og specialformede dele.
1. Forskningsfremskridt i brintproduktion ved elektrolyse af vand Brintproduktion ved elektrolyse af vand er et vigtigt middel til at opnå industriel og billig fremstilling af H2 og kan producere produkter med en renhed på 99 % til 99,9 %. Hvert år når mit lands elforbrug til brintproduktion ved elektrolyse af vand mere end (1,5×107) kW·h. Når der går strøm mellem elektroderne, produceres der brint ved katoden, der produceres ilt ved anoden, og vand elektrolyseres [2]. Kernedelen af vandelektrolysebrintproduktionsudstyret er elektrolysecellen, og elektrodematerialet er nøglen til elektrolysecellen. Kvaliteten af elektrodeydelsen bestemmer i høj grad cellespændingen og energiforbruget ved vandelektrolyse og påvirker direkte omkostningerne. Effektiviteten af at levere elektricitet til at nedbryde vand for at producere brint er generelt 75% til 85%. Processen er enkel og forureningsfri, men strømforbruget er stort, så dens anvendelse er underlagt visse begrænsninger. Elektrolysen af vand udføres i en elektrolysecelle, som er fyldt med elektrolyt og opdelt i et anodekammer og et katodekammer ved hjælp af en membran. Elektroder er placeret i hvert kammer. Da vand har meget lav ledningsevne, anvendes en vandig opløsning (koncentration på ca. 15%) med elektrolyt. Når der går strøm mellem elektroderne ved en bestemt spænding, produceres der brint ved katoden, og der produceres ilt ved anoden, hvorved der opnås vandelektrolyse. Teoretisk set er platinmetaller de mest ideelle metaller til vandelektrolyseelektroder, men i praksis bruges forniklede jernelektroder ofte til at reducere udstyr og produktionsomkostninger. Når vand elektrolyseres, er elektrodereaktionsformlen som følger [3]. I sur opløsning, katodereaktion: 4H++4e=2H2∏=0V Anodereaktion: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V I alkalisk opløsning, katodereaktion: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Anodereaktion: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Som det kan ses af ovenstående formel, er den overordnede reaktion ved vandelektrolyse som følger, hvad enten det er i sur eller alkalisk opløsning. 2H2O=2H2+O2 Vandets teoretiske nedbrydningsspænding har intet at gøre med pH-værdien, så sure eller alkaliske opløsninger kan bruges som elektrolytter. Men fra perspektivet af elektrolytisk cellestruktur og materialevalg er brugen af sure opløsninger tilbøjelig til forskellige fejl. Derfor bruges alkaliske opløsninger nu i industrien.
(1) Traditionel alkalisk elektrolyseteknologi Alkalisk vandelektrolyse er i øjeblikket en almindelig og moden metode til fremstilling af brint. Denne metode kræver ikke højt udstyr, og investeringen er hovedsageligt koncentreret i udstyret; den producerede brint er af høj renhed, men effektiviteten er ikke særlig høj. Processen er også forholdsvis miljøvenlig og forureningsfri, men den forbruger meget strøm og er derfor underlagt visse begrænsninger. Trykket ved vandelektrolyse i industrien er generelt mellem 1,65 og 2,2 V. Elektrodematerialets levetid og energiforbruget ved vandelektrolyse er nøglefaktorer ved vurdering af kvaliteten af alkaliske vandelektrolyseelektrodematerialer. Når strømtætheden ikke er stor, er den væsentligste indflydelsesfaktor overpotentialet; når strømtætheden stiger, bliver overpotentialet og modstandsspændingsfaldet hovedfaktorerne for energiforbruget. I praktiske applikationer bør industrielle elektroder have følgende egenskaber [3]: (1) stort overfladeareal; (2) høj ledningsevne; (3) god elektrokatalytisk aktivitet; (4) langsigtet mekanisk og kemisk stabilitet; (5) lille bobleudfældning; (6) høj selektivitet; (7) let at opnå og lave omkostninger; (8) sikkerhed. Vandelektrolyse kræver ofte en større strømtæthed (over 4000 A/m2), så punkt 2 og 4 er vigtigere. Fordi høj ledningsevne kan reducere energitabet forårsaget af ohmsk polarisering, sikrer høj stabilitet elektrodematerialernes lange levetid. 1 og 3 er kravene til reduktion af overpotentialet for udvikling af brint og ilt og er også vigtige indikatorer for evaluering af elektrodeydelse.
(2) Fast polymerelektrolyt SPE vandelektrolyseteknologi Da elektrolysatoren med væske som elektrolyt har lav effektivitet, er ubelejlig at flytte og ofte kræver vedligeholdelse, leder folk aktivt efter nye elektrolytter, hvilket har foranlediget udviklingen og anvendelsesforskningen af fast polymer elektrolyt (SPE), også kendt som protonudvekslingsmembran (PEM). På nuværende tidspunkt anvender elektrolysatoren fast Nafion perfluorsulfonsyremembran som elektrolyt. Elektroden bruger ædelmetaller eller deres oxider med høj katalytisk ydeevne, som er lavet i pulverform med stort specifikt overfladeareal og er bundet og presset på begge sider af Nafion-membranen ved hjælp af Teflon for at danne en stabil kombination af membran og elektrode.
(3) Højtemperaturdampelektrolyseproces En anden metode til fremstilling af brint ved vandelektrolyse er højtemperaturdampelektrolyse. Dette er en metode, der er afledt af brændselsceller med fast oxid. Elektrolysekammeret bruger generelt Y2O3-stabiliseret ZrO2 som elektrolytten. Jo højere temperatur, jo lavere modstand. Ud fra perspektivet af materialets varmebestandighed er den øvre temperaturgrænse dog fortrinsvis 1000 grader. Normalt bruges et blandet sintret legeme af nikkel og keramik som katode, og et ledende calcium-titanium-kompositoxid bruges som anode.
2. Udvikling af biologisk brintproduktion Emnet om at bruge mikroorganismer til at producere brint har været undersøgt i årtier. I 1930'erne blev den første rapport om bakteriel mørk gæring til at producere brint rapporteret. Efterfølgende, i 1942, rapporterede Gaffron og Rubin, at grønne alger brugte lysenergi til at producere brint, og i 1949 opdagede Gest og Kamen fototrofiske brintproducerende bakterier. Spruit bekræftede i 1958, at alger kan producere brint gennem direkte fotolyse uden behov for fiksering af kuldioxid. Healy (1970)'s forskning viste, at når lysintensiteten er for høj, vil hydrogenproduktionsprocessen for Chlamydomonas moewsuii blive hæmmet på grund af produktionen af ilt. Under energikrisen i 1970'erne blev der forsket meget i produktion af biobrint rundt om i verden. Thauer påpegede i 1976, at mørk gæring var vanskelig at anvende i den egentlige produktion, fordi den kun kunne producere 4 mol brint og 2 mol eddikesyre ud fra højst 1 mol glucose. Fototrofiske bakterier kan fuldstændigt omdanne substrater som organiske syrer til brint, så siden da har forskning i biobrintproduktion dybest set fokuseret på fotofermentering. I begyndelsen af 1980'erne faldt støtten til vedvarende energi i forsknings- og udviklingsprogrammer (F&U) rundt om i verden gradvist. I begyndelsen af 1990'erne blev miljøproblemerne mere og mere alvorlige, og folks opmærksomhed var rettet mod alternativ energi. Med støtte fra forskning og udvikling af biobrintproduktion i Tyskland, Japan og USA er området for alger, der bruger lysenergi til at producere brint fra vand, blevet undersøgt bredt. Imidlertid er den samlede solenergikonverteringseffektivitet i denne proces stadig meget lav. På den anden side kan mørk gæring og fototrofiske bakterier producere brint fra billige substrater eller organisk affald. Da det både kan producere ren energi og behandle organisk affald, har de amerikanske og japanske regeringer støttet adskillige langsigtede forskningsprogrammer. Det forventes, at den praktiske anvendelse af biobrintproduktionsteknologi vil blive realiseret i midten af det 21. århundrede. Det er mere end et halvt århundrede siden opdagelsen af mikrobiel brintproduktion, men biobrintproduktion er ikke blevet anvendt i praksis. Mange tekniske problemer, såsom screening af mikroorganismer, design af reaktorer og optimering af driftsbetingelser, mangler at blive løst, og omkostningerne ved denne teknologi har også fået opmærksomhed. Økonomisk set kan biobrintproduktionsteknologi ikke konkurrere med traditionel kemisk brintproduktionsteknologi i den nærmeste fremtid. Ud fra et miljøbeskyttelsesperspektiv vil udsigterne for biobrintproduktion imidlertid være meget brede. Biohydrogenproduktion omfatter: fotosyntetisk biohydrogenproduktionssystem (også kendt som direkte biofotolyse-brintproduktionssystem); fotolyse biohydrogenproduktionssystem (også kendt som indirekte biofotolyse hydrogenproduktionssystem); fotosyntetiske heterotrofe bakterier vandgas omdannelse reaktion hydrogenproduktionssystem; fotofermentering biobrint produktionssystem; anaerob fermentering biobrint produktionssystem (også kendt som mørk fermentering biohydrogen produktionssystem); fotosyntese-fermentering hybrid biohydrogen produktionssystem; in vitro hydrogenase biohydrogen produktionssystem osv. Hydrogen energi er en ren og høj brændværdi energikilde. At bruge vedvarende vandressourcer i naturen til at producere brint er uden tvivl den foretrukne metode for menneskeheden i fremtiden.
Efter mere end et halvt århundredes forskning, selv om vandelektrolysebrintproduktion og biobrintproduktionsteknologi har gjort store fremskridt, er de stadig dybest set i udviklingsstadiet og er endnu ikke taget i brug i praksis. Forskellige restriktive faktorer såsom lav solenergikonverteringseffektivitet, højt energiforbrug ved vandelektrolysebrintproduktion, produkthæmning, driftsforhold osv. gør brintproduktionshastigheden i eksisterende brintproduktionssystemer ikke høj nok eller ikke økonomisk, og mange andre flaskehalse har brug for at blive yderligere gennembrudt. For yderligere at reducere produktionsomkostningerne og øge produktionseffektiviteten vil vi forberede os på fremtidige kommercielle operationer.
Firma: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Land: Kina
Tilføj: Baoti Road, Jintai, Baoji city, Shaanxi, Kina
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Hjemmeside: www.jm-titanium.com
