Son yıllarda yapılan araştırmalarda;yüksek verimli, düşük maliyetli su elektrolizörleriyenilenebilir elektrik üretim ve iletim sistemlerinin dayanıklılığını artırmak için büyük ölçekli hidrojen üretimi ve kullanımı hayati önem taşıdığından yaygın ilgi görmüştür. Şu anda, hidrojen üretiminin en yaygın yöntemi metan veya diğer hidrokarbonların buharla yeniden şekillendirilmesidir, ancak bu işlem önemli miktarda karbondioksit emisyonu üretir. Bu nedenle,su elektrolizörlerihidrojen ve oksijen üretenelektrokimyasal su ayrıştırmaaraştırma merkezi haline geldi.
Yüksek sıcaklık çalışma koşullarında (700–950°C),katı oksit buhar elektrolizörleri (SOEC'ler)laboratuvar ve pilot ölçekte geliştirilmiş ve doğrulanmıştır (bkz. Şekil 1). Yüksek çalışma sıcaklığıSOEC'lerneredeyse hiç kinetik sınırlama olmaksızın nispeten düşük hücre voltajlarında çalışmalarına olanak tanır ve %100'e yakın bir performansa ulaşırYüksek ısıtma değeri (HHV) elektroliz verimliliğiyaklaşık 1 A/cm² akım yoğunluğunda. Ancak, yüksek sıcaklıkta çalışma aynı zamanda uzun başlatma ve kapatma süreleri, hücre bileşenlerinin yüksek sıcaklıktaki karşılıklı difüzyonundan kaynaklanan hızlı bozulma ve korozyon ürünlerinin neden olduğu zehirlenme gibi birçok zorluğu da beraberinde getirir veSOEC'lerpazara açılmada zorluklarla karşılaşıyorlar.
Alkali vePEM Elektrolizörleri
Proton değişim membranlı su elektrolizörleri (PEMWE'ler) faydalanmakproton değişim zarları (PEM)ve elektrotlardaki ionomerler, sıvı elektrolitlerin dolaştırılmasına gerek kalmadan çalışmaya olanak tanır. Bu konfigürasyonda, hem anot hem de katot gözeneksiz ile doğrudan temas halindedirPEM, kompakt bir hücre düzenlemesi oluşturur (sıfır boşluklu tasarım) (bkz. Şekil 3). Bu tasarım,PEMWE'leryaklaşık 2 A/cm² akım yoğunluklarında çalışmak üzere.
Ayrıca, gözeneksiz membranPEMWE'lerdesteklerdiferansiyel basınç çalışması, katotta yüksek basınçlı hidrojen üretimi ve anotta atmosferik basınçlı oksijen üretimi sağlar. Bu, hidrojen depolaması için ikincil mekanik sıkıştırmaya olan ihtiyacı azaltır. Bu avantajlara rağmen, yüksek maliyetelektrokatalizörler(iridyum oksit ve platin gibi) ve asidik ortamlarda kullanılan korozyona dayanıklı akım toplayıcıları ve bipolar plakalar, büyük ölçekli sistemler için sınırlayıcı faktörler haline gelebilir. Bu, özellikle yığın boyutu arttıkça doğrudur ve bu bileşenler genel sistem maliyetine önemli ölçüde katkıda bulunur. Her ikisi deAWE'lerVePEMWE'lerolgun teknolojiler olarak kabul edilir ve belirli uygulama ihtiyaçlarına göre ticari olarak dağıtılır.
Düşük sıcaklık çalışma koşullarında (100°C'nin altında),alkali su elektrolizörleri (AWE'ler)olgun bir teknolojidir.AWE'leriçeren sulu bir çözelti kullanınpotasyum hidroksit (KOH)sıvı elektrolit olarak ve donatılmıştırgözenekli ayırıcı membranlar(Bkz. Şekil 2). Geliştirme konusunda kapsamlı araştırmalar bildirilmiştir.platin grubu metal (PGM) içermeyen elektro katalizörlerhidrojen ve oksijen evrim reaksiyonları için (yani,hidrojen evrim reaksiyonu (HER)Veoksijen evrim reaksiyonu (OER)). Mevcut araştırma yönü, akım yoğunluğunu veya çalışma basıncını artırmak için sıfır boşluklu yapılandırmalar gibi tasarımlara odaklanmaktadır. Ancak,AWE'lerNispeten düşük hidrojen üretim oranlarına sahiptirler, tipik olarak 1,8 V hücre voltajında 200 mA/cm² civarındadır.
AEM Elektrolizör Çalışma Prensipleri
Anyon değişim membranlı su elektrolizörleri (AEMWE'ler)alkali bir ortamda çalışabilir ve kullanılabilirplatin grubu metal (PGM) içermeyen katalizörler.anyon değişim membranı (AEM)ana veya yan zincirlerinde sabit pozitif yüklü fonksiyonel gruplara sahip, sıfır boşluklu yapılandırmalara ve diferansiyel basınç çalışmasına olanak tanıyan gözeneksiz bir hidrojen oksit iletken polimerdir (bkz. Şekil 4).
Genel tepkiAEMWE'lerhidrojen evrim reaksiyonu (HER) ve oksijen evrim reaksiyonu (OER) içerir. Su veya alkali sıvı elektrolit, suyun iki elektron (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻) eklenerek hidrojen ve hidroksit iyonlarına indirgendiği katottan dolaşır. Hidroksit iyonlarıAEManoda, elektronlar ise harici devreden katoda aktarılır. Anotta, hidroksit iyonları oksijen ve su oluşturmak için yeniden birleşerek iki elektron üretir (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Hidrojen ve oksijen gazları HER ve OER katalizör yüzeylerinde kabarcıklar halinde oluşur. Benzer şekildePEMWE'ler,gözeneksiz membransıfır boşluklu yapılandırmaAEMWE'lerYüksek hızlı hidrojen üretimine olanak sağlar ve hidrojen depolama için mekanik sıkıştırma ihtiyacını azaltır.
Dikkat çekici olan şudur kiAEMWE'leravantajlarını birleştirmekAWE'ler(PGM içermeyen katalizörler) vePEMWE'ler(sıfır boşluklu yapılandırmalar ve gözeneksiz membranlar). İlginçtir ki, aksinePEMWE'ler, yalnızca polimer elektrolitler kullanan birçokAEMWE'lerAyrıca sıvı elektrolitler (KOH veya K₂CO₃ çözeltileri gibi) de kullanılır.
Son modelleme çalışmaları, sıvı elektrolit eklemenin yalnızcaohmik dirençmembran ve katalizör tabakasının yanı sıra reaksiyon kinetiğini de iyileştirir. Hücreye sıvı elektrolit eklendiğinde, katalizör-elektrolit arayüzündeki yerel pH artar ve ek bir elektrokimyasal arayüz oluşturulur. EndüstriyelAEMWE'lerilenikel bazlı katalizörler1 M KOH çözeltisinde 2 V voltaj ve 1,8 A/cm² akım yoğunluğunda hidrojen üreterek geleneksel ile karşılaştırılabilir performans elde edilirPEMWE'leratmosferik basınçta. Düşük maliyeti nedeniylekatalizörlerve donanım, ayrıca uygulanabilir sıfır boşluk yapılandırması ve diferansiyel basınç çalışması,AEMWE'lerhidrojen üretimine olan ilgi giderek artıyor.
AEM Elektrolizörlerinin Dayanıklılık Zorlukları
Birincil teknik zorlukAEMWE'ler(Anyon Değişim Membranlı Su Elektrolizörleri) ticari olarak uygulanabilir sistemlerdedayanıklılık. DayanıklılıkAEMWE'lergenellikle cihazın kullanım ömrünü ifade eder. İlk aşamalardahadi kalkalımgeliştirme, hücre ömrü daha kısa (500 saatten az) olduğundan dayanıklılığı ölçmek nispeten kolaydı. Ancak, daha dayanıklıAEMWE'lergeliştikçe, yaşam sürelerinin ölçülmesi daha karmaşık hale gelmiştir.
Bir hücreyi 10.000 saatten fazla çalıştırmanın bir yıldan fazla sürdüğünü belirtmek önemlidir. Bu nedenle,AEMWE'lergenellikle uzun vadeli testlerde (100-1000 saat) voltaj değişim oranının ölçülmesiyle veya hızlandırılmış bozulma koşulları altında (daha yüksek çalışma sıcaklıkları ve yüksek akım yoğunlukları gibi) hızlandırılmış stres testleri (AST) kullanılarak değerlendirilir. Ancak, AST koşulları altında voltaj değişim oranları ve ömür testleri kullanılarak yapılan uzun vadeli testlerin dayanıklılığı doğru bir şekilde tahmin edemeyebileceği unutulmamalıdır.AEMWE'ler, hücre ömrü birden fazla bozulma modundan etkilendiği ve genellikle felaketle sonuçlanan arızalarla sınırlı olduğu için. Bu nedenle, gerçek ömrünü elde etmek için hücreyi normal çalışma koşulları altında sürekli çalıştırmak gerekli olmaya devam etmektedir.
Ticari yığın ömrüproton değişim membranlı su elektrolizörleri (PEMWE'ler)çoğu ürünün bildirilen ömrü 20.000 ila 60.000 saate yakındırAEMWE'leryaklaşık 3.000 saattir. Ayrıca, çoğuAEMWE'leratmosferik basınç koşulları altında test edilir.
