Hidrojen Enerjisinin Yeni Gözdesi: Köpük Demir-Nikel Alaşımı Hidrojen Üretim Elektrolizörlerini Nasıl Yeniden Şekillendiriyor

1. Hidrojenin Yeni Çağı

Hidrojen, 16. yüzyılda keşfedildiğinden bu yana bol miktarda bulunması, yüksek enerji yoğunluğu, yeşil ve düşük karbon özellikleri nedeniyle önemli bir temiz enerji kaynağı olarak kabul ediliyor.

Şu anda hidrojen üretim süreçleri karbon emisyonlarına göre gri hidrojen, mavi hidrojen ve yeşil hidrojen olarak kategorize ediliyor. Bunlar arasında yenilenebilir enerji kullanılarak suyun elektrolize edilmesiyle üretilen yeşil hidrojen, sera gazı veya zararlı madde yaymaz ve yüksek saflığa sahiptir. En temiz hidrojen üretim yöntemidir ve hidrojen enerjisi için birincil gelecek yönünü temsil eder.

Yeşil hidrojen öncelikle şu şekilde elde edilir:su elektrolizi, bir elektrolizörün suyu hidrojen ve oksijene ayırdığı yer. Şu anda dört ana elektrolizör teknolojisi bulunmaktadır: ALK (alkali su elektrolizi), PEM (proton değişim membran elektrolizi), SOEC (katı oksit elektroliz hücresi) ve AEM (katı polimer aİçinde(değişim membranı elektrolizi).

Küresel karbon nötrlüğü bağlamında, yeşil hidrojen tartışmasız bir şekilde enerji dönüşümünde önemli bir alan haline geldi. Elektrolizör teknolojisinin maliyetleri daha da düşürme ve verimliliği artırma yeteneği, bu hayati alanda gelecekteki başarısı için kritik öneme sahiptir.

2. Ana Dayanak: Alkali Elektrolizörler

ALK (alkali su elektrolizi) hidrojen üretimi için alkali bir elektrolit ortamında, tipik olarak KOH veya NaOH çözeltileri kullanılarak gerçekleşir. Bu elektroliz teknolojisinin en büyük avantajı, hem anot hem de katot plakalarının değerliMetals, en düşük elektrolizör maliyetiyle sonuçlanır. Ayrıca, bu tip elektrolizör ticari olarak en olgun olanıdır, kapsamlı işletme deneyimine sahiptir ve pazara hakimdir. Bazı yerel kritik ekipmanların temel performans göstergeleri uluslararası ileri seviyelere ulaşmış olup, hücre başına büyük ölçekli hidrojen üretimi sunarak şebekeden güç alan elektroliz için kolayca uyarlanabilir hale gelmiştir.

Alkali bir elektrolizör esas olarak uç plakalar, contalar, bipolar plakalar gibi bileşenlerden oluşur.Elektrotplakalar ve diyaframlar. Elektrolizör, vidalar ve uç plakalar tarafından silindirik veya kare bir şekil oluşturmak üzere birbirine bastırılmış düzinelerce hatta yüzlerce elektroliz hücresinden oluşur. İki bitişik plaka ile belirlenen her elektroliz hücresi altı parçadan oluşur: pozitif ve negatif bipolar plakalar, bir anot elektrodu, bir diyafram, bir sızdırmazlık contası ve bir katot elektrodu.

Önemli olarak, alkali elektrolizör elektrodu elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği yerdir ve elektrolizörün hidrojen üretim verimliliğini belirlemede anahtar rol oynar. Büyük ev tipi alkali elektrolizörlerde kullanılan elektrotların çoğu, saf nikel ağ, köpük nikel veya yüksek oranda aktif katalizörlerle kaplanmış saf nikel ağ/köpük nikel alt tabakaları gibi nikel bazlıdır. Bunlar arasında, köpük nikel ucuz ve olgun bir üründür. Elektrot malzemesi çok sayıda mikro gözenekle doludur ve geniş bir yüzey alanı sunar. Bu, çözelti ile elektrot arasındaki temas alanını önemli ölçüde artırır, kütle transfer mesafesini kısaltır ve elektroliz reaksiyon verimliliğini büyük ölçüde iyileştirir.

Köpük demir-nikel alaşımlı malzemegeleneksel nikel bazlı malzemelerden daha iyi performans gösterir, daha aktif oksijen evrim alanları sağlar ve katalitik verimliliği önemli ölçüde daha yüksektir. Alkali su elektrolizinin daha da ilerlemesi ve ilerlemesi için bir "ustalık hamlesidir". Yetkili testlere göre, gerçek çalışma koşulları altında, köpük demir-nikel kullanan alkali su elektrolizinin verimliliği geleneksel nikel örgüsünden daha üstündür. Mevcut yerel ve uluslararası son teknoloji araştırmalara göre, DC enerji tüketimi standart metreküp başına 4,0-4,3 KWH kadar düşük olabilir ve enerji verimliliği %80-85'e ulaşır.

3. AEM Elektrolizörlerinin Şafağı

Katı polimer anyon değişim membranı (AEM) su elektrolizi, ayırıcı olarak düşük maliyetli bir anyon değişim membranı, elektrolit olarak düşük konsantrasyonlu alkali çözelti veya saf su ve reaksiyon için değerli olmayan metal katalizörleri kullanan bir hidrojen üretim işlemidir.

AEM elektrolizörlerinde anot genellikle geçiş metal oksitlerinden (örneğin nikel oksit, kobalt oksit) oluşurken, katot genellikle nikel, platin veya paladyum gibi değerli metallerden veya bunların alaşımlarından yapılır.

Anottaki reaksiyon: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Katottaki reaksiyon: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Burada belirtilen 4OH-, bu işlemde vurgulanan anyonlardır. Anyon değişim membranının etkisi altında, katotta üretilen OH- anoda göç edebilir, anot tarafındaki OH- konsantrasyonunu artırabilir ve anotta daha fazla oksijen ve su oluşumuna yol açabilir. Bu, doğal olarak katotta daha saf bir hidrojen ürünü bırakır.

Katot ve anot malzemelerinin birincil rolü, su ayırma reaksiyonunu katalize etmek ve üretilen hidrojen ve oksijeni verimli bir şekilde üretmektir. Bu nedenle, hem katot hem de anot malzemeleri güçlü katalitik aktiviteye ve gözenekliliğe sahip olmalıdır. Elektrot reaksiyonlarının düzgün ilerlemesi için, katot ve anot malzemelerinin ayrıca yüksek anyon ve elektron iletkenliğine sahip olması gerekir.

Günümüzde en yaygın kullanılan katot malzemeleri nikel alaşımlarıdır ve anot malzemeleri öncelikli olarak nikel-demir alaşımlarıdır. Demir ve nikel sadece suyun ayrışması için güçlü katalitik aktivite göstermekle kalmaz, aynı zamanda yaygın olarak bulunur ve düşük maliyetlidir. AEM son derece aşındırıcı ortamlarda çalışmadığından, anot ve katot malzemelerinde iridyum veya titanyum gibi değerli metal katalizörlere ihtiyaç duymaz. Bu, AEM ekipmanının üretim maliyetini önemli ölçüde azaltır ve performansı PEM teknolojisinden daha düşük değildir, bu da onu dünya çapında yeni geliştirilen hidrojen elektrolizörleri için ana akım yön haline getirir.

4. Dalgaya Binmek: YükselişKöpük Demir-Nikel

İster günümüzün ana akım ALK (alkali elektrolizi) ister yeni ortaya çıkan AEM teknolojisi olsun, köpük demir-nikel benzersiz uygulama avantajları ve geniş beklentiler sunmaktadır.

Malzeme Özellikleri: Devrim niteliğinde 3D Mesh Tasarımı

• Ultra yüksek özgül yüzey alanı:20-450 μm aralığında gözenek boyutları ve ≥%98 gözeneklilik ile aktif yüzey alanı düzlemsel elektrotlardan yüzlerce kat daha büyüktür. Bu, reaksiyon oranlarını önemli ölçüde artırır, çözelti ile elektrot arasındaki temas alanını önemli ölçüde artırır, kütle transfer mesafesini kısaltır ve elektroliz reaksiyon verimliliğini büyük ölçüde iyileştirir.
• Etkili kataliz:Köpük demir-nikelin yüzeyi nikel bazlı ve demir bazlı katalizörlerle kaplanmıştır. Bu katalizörler, suyu hidrojen ve oksijene ayıran su elektroliz reaksiyonuna yardımcı olur.
• Yapısal destek:Köpük nikelin üç boyutlu yapısı mükemmel destek sağlayarak elektrodun stabilitesini ve yapısal bütünlüğünü korumaya yardımcı olur ve uzun süreli çalışmasını garanti eder.
• Yüksek iletkenlik:Hem demir hem de nikel iyi elektrik iletkenleridir ve köpük demir-nikelin üç boyutlu yapısı yüksek bir yüzey alanı sağlayarak akım dağılımına yardımcı olur.

Katalizör Katmanı Uygulaması

Şu anda, elektrolizör katalizör katmanları öncelikle şunları içerir:anot katalizör tabakası (OER-CL)vekatot katalizör tabakası (HER-CL), sırasıyla oksijen evrim reaksiyonunu (OER) ve hidrojen evrim reaksiyonunu (HER) kolaylaştırır. Hem OER hem de HER kinetik atalet sergilediğinden, katalizörler genellikle reaksiyon aktivitesini artırmak ve enerji tüketimini azaltmak için elektrotlara yüklenir. Bu, katalizör tabakasının (CL) işlevidir. Ni bazlı katalizörler alkali ortamlarda yüksek aktivite ve mükemmel korozyon direnci gösterdiğinden ve diğer geçiş metallerinden (Fe, Co gibi) daha kararlı olduğundan, hem OER hem de HER katalizörleri olarak yaygın olarak kullanılırlar. Yüksek oksijen afinitesi nedeniyle, Fe OH− türlerini adsorplama eğilimindedir ve bu nedenle genellikle bir OER kinetik promotörü olarak kullanılır.Köpük nikel-demir alaşımlı malzemeNiFe metallerinin özelliklerini bünyesinde barındıran , hidrojen üretiminde anot malzemesi olarak kullanıldığında önemli avantajlar sağlıyor.

Difüzyon Katmanı Uygulaması

Gaz difüzyon tabakası (GDL) öncelikli olarak gaz difüzyonu için kullanılır - katotta hidrojen ve anotta oksijen. Ek olarak, metalik iletkenliği ve termal iletkenliği nedeniyle elektron ve ısı transferini de kolaylaştırır, bu nedenle gözenekli taşıma tabakası (PTL) olarak bilinir. Şu anda, köpük nikel piyasada yaygın olarak bir difüzyon tabakası malzemesi olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, yüksek kaliteli, uygun maliyetli köpük demir-nikel artık daha ekonomik bir seçimdir.