Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von H2 und O2
Titananoden, die Schlüsselteile von elektrolytischen Wasserstoff- und Sauerstoffgeräten, haben eine stabile Qualität, sind umweltfreundlich und weisen keine Sekundärverschmutzung auf, haben ein geringes Überspannungspotential, einen guten Energiespareffekt und können 15-20 % Energie einsparen. Es gibt Platten-, Maschen-, Rohrformen und speziell geformte Teile.
1. Forschungsfortschritt zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse Die Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse ist ein wichtiges Mittel zur industriellen und kostengünstigen Herstellung von H2 und kann Produkte mit einer Reinheit von 99 % bis 99,9 % erzeugen. Der jährliche Stromverbrauch meines Landes für die Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse übersteigt (1,5×107) kW·h. Wenn Strom zwischen den Elektroden fließt, wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff erzeugt und Wasser elektrolysiert [2]. Das Herzstück der Anlage zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse ist die Elektrolysezelle, und das Elektrodenmaterial ist der Schlüssel zur Elektrolysezelle. Die Qualität der Elektrodenleistung bestimmt weitgehend die Zellspannung und den Energieverbrauch der Wasserelektrolyse und wirkt sich direkt auf die Kosten aus. Der Wirkungsgrad der Strombereitstellung zur Zersetzung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff liegt im Allgemeinen bei 75 % bis 85 %. Der Prozess ist einfach und umweltfreundlich, aber der Stromverbrauch ist hoch, sodass seine Anwendung gewissen Einschränkungen unterliegt. Die Elektrolyse von Wasser wird in einer Elektrolysezelle durchgeführt, die mit Elektrolyt gefüllt und durch eine Membran in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer unterteilt ist. In jeder Kammer befinden sich Elektroden. Da Wasser eine sehr geringe Leitfähigkeit hat, wird eine wässrige Lösung (Konzentration von etwa 15 %) mit Elektrolyt verwendet. Wenn bei einer bestimmten Spannung Strom zwischen den Elektroden fließt, entsteht an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff, wodurch eine Wasserelektrolyse erreicht wird. Theoretisch sind Platinmetalle die idealsten Metalle für Elektroden zur Wasserelektrolyse, in der Praxis werden jedoch häufig vernickelte Eisenelektroden verwendet, um die Geräte- und Produktionskosten zu senken. Bei der Elektrolyse von Wasser lautet die Elektrodenreaktionsformel wie folgt [3]. In saurer Lösung, Kathodenreaktion: 4H++4e=2H2∏=0V Anodenreaktion: 2H2O =4H++O2+4e∏=1.23V In alkalischer Lösung, Kathodenreaktion: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Anodenreaktion: 4OH-=2H2O+O2+4e∏=0.401V Wie aus der obigen Formel ersichtlich ist, ist die Gesamtreaktion der Wasserelektrolyse wie folgt, egal ob in saurer oder alkalischer Lösung. 2H2O=2H2+O2 Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser hat nichts mit dem pH-Wert zu tun, deshalb können saure oder alkalische Lösungen als Elektrolyte verwendet werden. Aus Sicht der Elektrolysezellenstruktur und der Materialauswahl ist die Verwendung saurer Lösungen jedoch anfällig für verschiedene Fehler. Daher werden in der Industrie mittlerweile alkalische Lösungen verwendet.
(1) Traditionelle Technologie der alkalischen Elektrolyse Die alkalische Wasserelektrolyse ist derzeit eine gängige und ausgereifte Methode zur Herstellung von Wasserstoff. Diese Methode erfordert keinen aufwendigen Geräteaufwand, und die Investitionen konzentrieren sich hauptsächlich auf die Ausrüstung; der erzeugte Wasserstoff ist von hoher Reinheit, aber die Effizienz ist nicht sehr hoch. Das Verfahren ist außerdem relativ umweltfreundlich und schadstofffrei, verbraucht jedoch viel Strom und unterliegt daher gewissen Einschränkungen. Der Druck der Wasserelektrolyse in der Industrie liegt im Allgemeinen zwischen 1,65 und 2,2 V. Die Lebensdauer des Elektrodenmaterials und der Energieverbrauch der Wasserelektrolyse sind Schlüsselfaktoren bei der Bewertung der Qualität von Elektrodenmaterialien für die alkalische Wasserelektrolyse. Wenn die Stromdichte nicht groß ist, ist die Überspannung der Haupteinflussfaktor; wenn die Stromdichte zunimmt, werden die Überspannung und der Widerstandsspannungsabfall die Hauptfaktoren des Energieverbrauchs. In der Praxis sollten Industrieelektroden die folgenden Eigenschaften aufweisen [3]: (1) große Oberfläche; (2) hohe Leitfähigkeit; (3) gute elektrokatalytische Aktivität; (4) langfristige mechanische und chemische Stabilität; (5) kleine Blasenfällung; (6) hohe Selektivität; (7) leicht zu beschaffen und kostengünstig; (8) Sicherheit. Die Wasserelektrolyse erfordert häufig eine höhere Stromdichte (über 4000 A/m2), daher sind die Punkte 2 und 4 wichtiger. Da eine hohe Leitfähigkeit den durch ohmsche Polarisation verursachten Energieverlust verringern kann, gewährleistet eine hohe Stabilität die lange Lebensdauer der Elektrodenmaterialien. 1 und 3 sind die Voraussetzungen für die Verringerung des Überspannungspotenzials bei der Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung und auch wichtige Indikatoren zur Bewertung der Elektrodenleistung.
(2) Wasserelektrolysetechnologie mit festem Polymerelektrolyt (SPE) Da Elektrolyseure mit Flüssigkeit als Elektrolyt eine geringe Effizienz aufweisen, sich nur schwer transportieren lassen und häufig gewartet werden müssen, werden aktiv neue Elektrolyte gesucht, was zur Entwicklung und Anwendungsforschung von festem Polymerelektrolyt (SPE), auch als Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt, geführt hat. Derzeit verwenden Elektrolyseure eine feste Nafion-Perfluorsulfonsäuremembran als Elektrolyt. Die Elektrode verwendet Edelmetalle oder deren Oxide mit hoher katalytischer Leistung, die in Pulverform mit großer spezifischer Oberfläche hergestellt und mit Teflon auf beiden Seiten der Nafion-Membran verklebt und gepresst werden, um eine stabile Kombination aus Membran und Elektrode zu bilden.
(3) Hochtemperatur-Dampfelektrolyseverfahren Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse ist die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse. Dies ist ein Verfahren, das von Festoxidbrennstoffzellen abgeleitet ist. Die Elektrolysekammer verwendet im Allgemeinen Y2O3-stabilisiertes ZrO2 als Elektrolyt. Je höher die Temperatur, desto geringer der Widerstand. Aus Sicht der Hitzebeständigkeit des Materials beträgt die obere Temperaturgrenze jedoch vorzugsweise 1000 Grad. Normalerweise wird ein gemischter Sinterkörper aus Nickel und Keramik als Kathode und ein leitfähiges Calcium-Titan-Mischoxid als Anode verwendet.
2. Entwicklung der biologischen Wasserstoffproduktion Das Thema der Verwendung von Mikroorganismen zur Wasserstoffproduktion wird seit Jahrzehnten untersucht. In den 1930er Jahren wurde erstmals über die bakterielle Dunkelfermentation zur Wasserstoffproduktion berichtet. Anschließend berichteten Gaffron und Rubin 1942, dass Grünalgen Lichtenergie zur Wasserstoffproduktion nutzten, und 1949 entdeckten Gest und Kamen phototrophe wasserstoffproduzierende Bakterien. Spruit bestätigte 1958, dass Algen Wasserstoff durch direkte Photolyse produzieren können, ohne dass Kohlendioxid fixiert werden muss. Healys (1970) Forschungen zeigten, dass bei zu hoher Lichtintensität der Wasserstoffproduktionsprozess von Chlamydomonas moewsuii aufgrund der Sauerstoffproduktion gehemmt wird. Während der Energiekrise in den 1970er Jahren wurde weltweit viel zur Biowasserstoffproduktion geforscht. Thauer wies 1976 darauf hin, dass die Dunkelfermentation in der tatsächlichen Produktion schwierig anzuwenden sei, da sie aus höchstens 1 Mol Glucose nur 4 Mol Wasserstoff und 2 Mol Essigsäure produzieren könne. Phototrophe Bakterien können Substrate wie organische Säuren vollständig in Wasserstoff umwandeln, weshalb sich die Forschung zur Biowasserstoffproduktion seitdem im Wesentlichen auf die Photofermentation konzentriert. Anfang der 1980er Jahre nahm die Unterstützung für erneuerbare Energien in Forschungs- und Entwicklungsprogrammen (F&E) auf der ganzen Welt allmählich ab. Anfang der 1990er Jahre wurden die Umweltprobleme immer ernster und die Aufmerksamkeit der Menschen richtete sich auf alternative Energien. Mit Unterstützung der F&E zur Biowasserstoffproduktion in Deutschland, Japan und den Vereinigten Staaten wurde das Gebiet der Algen, die Lichtenergie nutzen, um Wasserstoff aus Wasser zu produzieren, umfassend untersucht. Die Gesamteffizienz der Umwandlung von Sonnenenergie in diesen Prozess ist jedoch immer noch sehr gering. Andererseits können Dunkelfermentation und phototrophe Bakterien Wasserstoff aus kostengünstigen Substraten oder organischen Abfällen produzieren. Da sie sowohl saubere Energie produzieren als auch organische Abfälle behandeln können, haben die US-amerikanische und die japanische Regierung mehrere langfristige Forschungsprogramme unterstützt. Es wird erwartet, dass die praktische Anwendung der Biowasserstoffproduktionstechnologie Mitte des 21. Jahrhunderts realisiert wird. Seit der Entdeckung der mikrobiellen Wasserstoffproduktion ist mehr als ein halbes Jahrhundert vergangen, aber die Biowasserstoffproduktion wurde in der Praxis noch nicht angewendet. Viele technische Probleme, wie das Screening von Mikroorganismen, das Design von Reaktoren und die Optimierung der Betriebsbedingungen, müssen noch gelöst werden, und auch die Kosten dieser Technologie haben Aufmerksamkeit erhalten. Wirtschaftlich gesehen kann die Biowasserstoffproduktionstechnologie in naher Zukunft nicht mit der herkömmlichen chemischen Wasserstoffproduktionstechnologie konkurrieren. Aus der Perspektive des Umweltschutzes werden die Aussichten für die Biowasserstoffproduktion jedoch sehr gut sein. Die Biowasserstoffproduktion umfasst: photosynthetisches Biowasserstoffproduktionssystem (auch bekannt als direktes Biophotolyse-Wasserstoffproduktionssystem); Photolyse-Biowasserstoffproduktionssystem (auch bekannt als indirektes Biophotolyse-Wasserstoffproduktionssystem); photosynthetische heterotrophe Bakterien-Wassergas-Umwandlungsreaktions-Wasserstoffproduktionssystem; Photofermentations-Biowasserstoffproduktionssystem; anaerobe Fermentations-Biowasserstoffproduktionssystem (auch bekannt als Dunkelfermentations-Biowasserstoffproduktionssystem); Photosynthese-Fermentations-Hybrid-Biowasserstoffproduktionssystem; In-vitro-Hydrogenase-Biowasserstoffproduktionssystem usw. Wasserstoffenergie ist eine saubere Energiequelle mit hohem Heizwert. Die Nutzung erneuerbarer Wasserressourcen in der Natur zur Herstellung von Wasserstoff ist für die Menschheit in Zukunft zweifellos die bevorzugte Methode.
Obwohl die Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse und zur Biowasserstofferzeugung nach mehr als einem halben Jahrhundert Forschung große Fortschritte gemacht hat, befinden sie sich im Wesentlichen noch immer in der Entwicklungsphase und wurden noch nicht in die Praxis umgesetzt. Verschiedene einschränkende Faktoren wie niedrige Solarenergieumwandlungseffizienz, hoher Energieverbrauch bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse, Produkthemmung, Betriebsbedingungen usw. führen dazu, dass die Wasserstoffproduktionsrate bestehender Wasserstoffproduktionssysteme nicht hoch genug oder nicht wirtschaftlich ist, und viele andere Engpässe müssen noch weiter überwunden werden. Um die Produktionskosten weiter zu senken und die Produktionseffizienz zu steigern, werden wir uns auf zukünftige kommerzielle Operationen vorbereiten.
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