الکترولایزر چیست

یک الکترولیز الکتریسیته را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند که با تولید هیدروژن همراه است. هیدروژن را می توان به عنوان مثال در مخازن تحت فشار یا هر هیدرید فلز دیگری نگهداری کرد. هیدروژن می تواند از الکترولیز آب به روش های مختلف مانند تولید قلیایی، اسیدی و خورشیدی ایجاد شود. الکترولیزهای آب قلیایی و اسیدی امروزه به صورت تجاری شناخته شده اند. الکترولیز آب قلیایی موضوع اصلی مورد توجه در این نوشته خواهد بود .

یکی از انواع قابل توجه الکترولیزهای اسیدی، الکترولایزر غشای تبادل پروتون (پلیمر) (PEM) است که مطابق با سلول سوختی PEM است. اگر صادقانه بگوییم، در صورت طراحی مناسب، واحد PEM دقیق می تواند به عنوان یک الکترولیز برای ایجاد هیدروژن، و همچنین یک سلول سوختی هیدروژن برای ایجاد الکتریسیته کار کند. تمایز اساسی بین الکترولایزر PEM و پیل سوختی PEM این است که واکنش‌های هیدروژن و اکسیژن روی الکترودها متضاد هستند.

بنابراین، الکترولیز H2 را در کاتد و O2 را در آند تحویل می دهد، در حالی که سلول سوختی H2 را در آند و O2 را در کاتد مصرف می کند. علاوه بر این، تجزیه آب به H2 و O2 در الکترولایزر غیر خود به خودی است و برای انجام واکنش به نیروی الکتریکی نیاز دارد، در حالی که واکنش پیل سوختی مخالف شهودی است و نیروی الکتریکی را ارائه می دهد.

در هر دو شرایط، ولتاژ برگشت پذیر ثابت و یکسان با 1.23 ولت است. از سوی دیگر، می‌توان از همان معادلات برای مدل‌سازی الکترولیزهای PEM با سلول‌های سوختی استاندارد PEM استفاده کرد، تنها پارامترهای مدل ممکن است علائم دیگری داشته باشند. هزینه خرید الکترولیز PEM بیش از 1000 یورو در کیلووات است. هزینه بالای عناصر نقطه ضعف اصلی این فناوری است.

تکنیک های تولید خورشیدی ساختارهای آینده نگر تولید هیدروژن هستند. با توجه به سیستم های قطع آب مبتنی بر انرژی PV، دو سیستم حیاتی باید برای تحقیق و توسعه آینده ارزیابی شوند. این روش ها سیستم های PV و الکترولایزر و سیستم های فوتوالکتروشیمیایی هستند. از نقطه نظر مفید بودن، روش های مورد علاقه در سراسر جهان، انواع PV ها و الکترولیزها هستند.

انتظار می رود که این مسئله به یک ارتباط بین فناوری الکترولایزر قلیایی نسبتا بالغ و رشد سریع فناوری فتوولتائیک سیلیکونی بیانجامد. سیستم های فوتوالکتروشیمیایی این مزیت را دارند که ژنراتور PV و الکترولیز را به یک سیستم بدون سیم متصل می کنند. بازده تبدیل خورشیدی به هیدروژن با این روش تقریباً 15 درصد است.

انواع الکترولیز آب قلیایی

الکترولیز آب قلیایی معمولی:

الکترولیت مورد استفاده در الکترولیز آب قلیایی دارای هیدروکسید پتاسیم آبی (KOH) است، به ویژه با محلول های 20 تا 30 درصد وزنی. این محدوده درگیری رسانایی مطلوب و مقاومت در برابر فرسایش فولاد ضد زنگ را فراهم می کند. دما و نیروهای استاندارد کاری این الکترولیز به ترتیب 70-100 درجه سانتیگراد و 1-30 بار می باشد.

از نظر فیزیکی یک الکترولیز از سلول های الکترولیتی مختلفی تشکیل شده است که به صورت موازی به هم متصل شده اند. دو ساختار سلولی متفاوت وجود دارد: تک قطبی و دو قطبی. در سلول های تک قطبی، الکترودها یا منفی یا مثبت هستند در حالی که سلول های دوقطبی حاوی الکترودهایی هستند که در یک طرف منفی و در سمت دیگر مثبت هستند که توسط یک عایق الکتریکی تقسیم می شوند. پشته های الکترولیز دوقطبی نسبت به تک قطبی ها فشرده تر هستند.

الکترولایزر دوقطبی در فشارهای بالاتر (تا 30 بار) کار می کند و این مزیت دیگری است زیرا کار فشرده سازی لازم برای ذخیره هیدروژن ایجاد شده توسط الکترولیز را کاهش می دهد. سیستم های تک قطبی در فشار اتمسفر کار می کنند. مزیت فشردگی ساختار سلول دوقطبی، مسیرهای جریان کوتاه‌تری را در سیم‌های الکتریکی و الکترودها در مقایسه با طراحی سلول‌های تک قطبی نشان می‌دهد. این امر باعث کاهش خرابی های ناشی از مقاومت اهمی داخلی الکترولیت و در نتیجه افزایش راندمان الکترولیز می شود.

با این وجود، برخی از اشکالات سلول های دوقطبی وجود دارد، به عنوان مثال، از دست دادن یک سلول منجر به عملکرد نادرست کل پشته می شود. سلول های تک قطبی را می توان به طور جداگانه در پشته با تکیه بر نیازهای ولتاژ-جریان ترکیب کرد. یک سلول واحد را می توان در صورت از دست دادن بدون عملکرد جدی جدا کرد. مجدداً، فشردگی و افزایش فشار الکترولیزهای دوقطبی به طراحی سیستم نسبتاً پیچیده ای نیاز دارد. سیستم های الکترولیزهای تک قطبی نسبتاً ساده می باشند و در نمونه های مطالعه شده در مقایسه با سایرین هزینه کمتری دارند. با این حال، اکثر الکترولیزهای آب قلیایی که امروزه تولید می شوند، دوقطبی هستند.

الکترولیز آب قلیایی پیشرفته:

اهداف اولیه الکترولیزهای آب پیشرفته عبارتند از: (1) کاهش ولتاژهای عملی سلول برای کاهش هزینه واحد برق و در نتیجه هزینه های کار. و (2) برای بهبود چگالی جریان و در نتیجه کاهش هزینه های سرمایه گذاری. اما این دو هدف با یکدیگر در تضاد هستند از طرفی افزایش بازده چگالی جریان باعث بهبود ولتاژ سلول به دلیل افزایش مقاومت اهمی و همچنین بهبود ولتاژهای اضافی در آندها و کاتدها می شود. در عمل، سه پیشرفت اساسی الکترولیز آب قلیایی قرار است به دو هدف ذکر شده در بالا برسد. این سه پیشرفت عبارتند از :

(1) ایجاد پیکربندی سلولی جدید برای کاهش مقاومت سلولی ویژه سطح علیرغم تراکم جریان بهبود یافته (مانند سلول‌های با شکاف صفر و دیافراگم‌های با مقاومت کم).

(2) پردازش در دماهای بالاتر (تا 60 درجه سانتیگراد) برای بهبود هدایت الکتریکی الکترولیت، به عنوان مثال، برای کاهش مقاومت سلول الکتریکی.

(3) ایجاد الکتروکاتالیست های جدید که ولتاژهای اضافی آندی و کاتدی را کاهش می دهد.

در طراحی سلول با شکاف صفر، مواد الکترود در دو طرف دیافراگم به صورت خوشه ای قرار می گیرند تا گازهای هیدروژن و اکسیژن برای خروج از الکترودها در انتها رانده شوند. اکثر تولیدکنندگان در حال حاضر این طرح را پذیرفته اند. هزینه اکتساب این کلاس تقریباً 500 یورو در کیلووات است.

هزینه الکترولیز آب قلیایی

یک الکترولیز آب قلیایی معمولی، که استفاده از منابع سوخت فسیلی را برای برق ایجاد می کند، بسیار مقرون به صرفه تر از الکترولایزرهای تجدیدپذیر است که از پایه های انرژی خورشیدی یا بادی برای برق استفاده می کند. با این حال، الکترولیز آب قلیایی استاندارد برای آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از دود شدن سوخت‌های فسیلی در نیروگاه‌ها آسیب رسان است و به معنای دیگر بهبود بسیار کمی نسبت به نوع  فعلی انرژی (انرژی های فسیلی) است. هزینه سرمایه الکترولیزهای آب قلیایی سنتی از 276 یورو در کیلووات تا 568 یورو در کیلووات متغیر است. به عنوان مثال، یک الکترولیز آب قلیایی 2 مگاواتی با راندمان تقریباً 80 درصد تقریباً 568 یورو در کیلووات و هزینه هیدروژن ایجاد شده تقریباً 18 یورو / GJ است.

اگرچه مزایای زیست محیطی الکترولایزر تجدیدپذیر بسیار بیشتر از روش های دیگر است، استفاده از آن در کوتاه مدت توصیه نمی شود. روش‌های تجدیدپذیر تولید برق، به خودی خود فناوری‌های نوپا هستند. قیمت تولید هیدروژن از الکترولیز تجدیدپذیر بسیار بالاست تا مقرون به صرفه باشد. با این حال، به عنوان یک هدف بلند مدت، این رویکرد ویژه امیدوارکننده است. قیمت الکترولیز در طول زمان همچنان کاهش می یابد، زیرا مواد المان اصلاح و ایجاد می شوند.

اصول طراحی سلول های الکترولیز آب قلیایی 300x123 الکترولایزر چیست ؟ انواع الکترولایزر ، نحوه کار و ساختار الکترولایزر

شکل 1 ) اصول طراحی سلول های الکترولیز آب قلیایی

عملکرد الکترولیز آب قلیایی و مشخصه های جریان ولتاژ I-U

تبديل آب به هيدروژن و اكسيژن را مي توان با انتقال جريان الكتريكي DC بين دو الكترود تقسيم شده توسط يك الكتروليت KOH با رسانايي يوني مناسب انجام داد. آب یک رسانای یونی بسیار ضعیف است و برای این دلیل باید از یک الکترولیت رسانا استفاده شود تا پاسخ بتواند با ولتاژ سلولی کافی از نظر فنی ادامه یابد. واکنش های نیم سلولی و واکنش کلی هستند

نیمه واکنش های آندی:

– 2OH– ⇒ 1/2O2 + H2 O + 2e

نیمه واکنش کاتدی:

 2H2O ⇒ H2 + ½ O2

واکنش کلی:

 H2O ⇒ H2 + 1/2O2

نموداری از ولتاژهای تئوریک و واقعی (Uth، Uactual) برای یک سلول الکترولیز آب قلیایی در مقابل چگالی فعلی در دماهای کاری بالا و پایین در شکل زیر نمایش داده شده است. تمایز بین دو منحنی I-U تا حد زیادی به دلیل وابستگی دمایی اضافه ولتاژها است.

شکل 2 ضابطه های جریان و ولتاژ برای الکترولایزر 300x149 الکترولایزر چیست ؟ انواع الکترولایزر ، نحوه کار و ساختار الکترولایزر

شکل 2 ) منحنی های I-U

منبع : برق تِک

About برق تِک

Leave a Reply

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *