stringtranslate.com

Электролиз воды

Простая установка для демонстрации электролиза воды в домашних условиях
Батарейка АА в стакане водопроводной воды с солью, на отрицательном полюсе которой выделяется водород

Электролиз воды — это использование электричества для расщепления воды на кислород ( O
2) и водород ( H
2) газ электролизом . Выделяющийся таким образом водородный газ может использоваться в качестве водородного топлива , но его следует хранить отдельно от кислорода, поскольку смесь будет чрезвычайно взрывоопасной. Водород, находящийся отдельно под давлением в удобных «резервуарах» или «газовых баллонах», может использоваться для кислородно-водородной сварки и других применений, поскольку пламя водорода/кислорода может достигать приблизительно 2800°C.

Электролиз воды требует минимальной разности потенциалов 1,23 вольта , хотя при этом напряжении также требуется внешнее тепло. Обычно требуется 1,5 вольта. Электролиз редко используется в промышленных приложениях, поскольку водород можно производить из ископаемого топлива с меньшими затратами . [1] В большинстве случаев водород получают путем расщепления метана (CH4 ) на диоксид углерода (CO2 ) и водород (H2 ) . Это углеродоемкий процесс, который означает, что на каждый килограмм произведенного «серого» водорода в атмосферу выбрасывается примерно 10 килограммов CO2. [ 2]

История

Устройство, изобретенное Иоганном Вильгельмом Риттером для развития электролиза воды

В 1789 году Ян Рудольф Дейман и Адриан Паетс ван Трооствейк использовали электростатическую машину для производства электричества, которое разряжалось на золотых электродах в лейденской банке . [3] В 1800 году Алессандро Вольта изобрел вольтов столб , а несколько недель спустя английские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл использовали его для электролиза воды. В 1806 году Гемфри Дэви сообщил о результатах обширных экспериментов по электролизу дистиллированной воды, сделав вывод, что азотная кислота образуется на аноде из растворенного атмосферного азота. Он использовал высоковольтную батарею и нереактивные электроды и сосуды, такие как золотые электродные конусы, которые также служили сосудами, соединенными влажным асбестом. [4] Зеноб Грамм изобрел машину Грамма в 1869 году, сделав электролиз дешевым методом получения водорода . Метод промышленного синтеза водорода и кислорода посредством электролиза был разработан Дмитрием Лачиновым в 1888 году. [5]

Принципы

Источник постоянного тока подключен к двум электродам или двум пластинам (обычно изготовленным из инертного металла, такого как платина или иридий ), которые помещены в воду. Водород появляется на катоде (где электроны попадают в воду), а кислород на аноде . [6] Если предположить идеальную фарадеевскую эффективность , количество образующегося водорода в два раза больше количества кислорода, и оба они пропорциональны общему электрическому заряду, проводимому раствором. [7] Однако во многих ячейках происходят конкурирующие побочные реакции , что приводит к дополнительным продуктам и меньшей, чем идеальная фарадеевская эффективность. [ необходима ссылка ]

Электролиз чистой воды требует избыточной энергии в форме перенапряжения для преодоления различных барьеров активации. Без избыточной энергии электролиз происходит медленно или не происходит вообще. Это отчасти связано с ограниченной самоионизацией воды .

Чистая вода имеет электропроводность, составляющую примерно одну стотысячную электропроводности морской воды. [8] [9] [10]

Эффективность повышается за счет добавления электролита ( например, соли , кислоты или основания ) и электрокатализаторов .

Уравнения

Диаграмма, показывающая общее химическое уравнение .

В чистой воде на отрицательно заряженном катоде происходит реакция восстановления , при которой электроны (e − ) с катода отдаются катионам водорода с образованием газообразного водорода. На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления , в результате которой образуется газообразный кислород и отдаются электроны аноду для замыкания цепи.

Две полуреакции , восстановление и окисление, связаны, образуя сбалансированную систему. Для того, чтобы сбалансировать каждую полуреакцию, вода должна быть кислой или щелочной. В присутствии кислоты уравнения следующие:

В присутствии основания уравнения имеют вид:

Объединение любой пары полуреакций дает одинаковое общее разложение воды на кислород и водород:

2H2O ( ж ) → 2H2 ( г ) + O2 ( г )

Число образующихся молекул водорода, таким образом, в два раза превышает число молекул кислорода, в соответствии с тем фактом, что и водород, и кислород являются двухатомными молекулами , а молекулы воды содержат в два раза больше атомов водорода, чем атомов кислорода. Предполагая, что температура и давление для обоих газов равны, объем пропорционален молям , поэтому объем водорода в два раза больше объема кислорода. Число электронов, проталкиваемых через воду, в два раза превышает число образующихся молекул водорода и в четыре раза превышает число образующихся молекул кислорода.

Термодинамика

Диаграмма Пурбе для воды, включая области равновесия для воды, кислорода и водорода при STP. Вертикальная шкала — электродный потенциал водорода или невзаимодействующего электрода относительно SHE- электрода, горизонтальная шкала — pH электролита (иначе невзаимодействующего). Пренебрегая перенапряжением , выше верхней линии условием равновесия является газообразный кислород, и кислород будет пузыриться с электрода до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Аналогично, ниже нижней линии условием равновесия является газообразный водород, и водород будет пузыриться с электрода до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Разложение чистой воды на водород и кислород при стандартных температуре и давлении невыгодно с термодинамической точки зрения.

Таким образом, стандартный потенциал ячейки электролиза воды (E o ячейки = E o катода − E o анода ) составляет −1,229 В при 25 °C при pH 0 ([H + ] = 1,0 M). При 25 °C с pH 7 ([H + ] = 1,0 × 10 −7 M) потенциал не изменяется на основе уравнения Нернста . Термодинамический стандартный потенциал ячейки можно получить из расчетов свободной энергии стандартного состояния, чтобы найти ΔG°, а затем использовать уравнение: ΔG°= −n FE° (где E° — потенциал ячейки, а F — постоянная Фарадея , 96 485 Кл/моль). Для двух электролизуемых молекул воды и, следовательно, двух образованных молекул водорода n = 4 и

Однако расчеты, касающиеся потенциалов равновесия отдельных электродов, требуют поправок для учета коэффициентов активности. [11] На практике, когда электрохимическая ячейка «приводится» к завершению путем приложения разумного потенциала, она кинетически контролируется. Поэтому энергия активации , подвижность ионов (диффузия) и концентрация, сопротивление провода, поверхностное препятствие, включая образование пузырьков (блокирует область электрода) и энтропия, требуют большего потенциала для преодоления. Величина увеличения требуемого потенциала называется перенапряжением .

Электролит

Вольтаметр Гофмана, подключенный к источнику постоянного тока

Электролиз в чистой воде потребляет/восстанавливает катионы H + на катоде и потребляет/окисляет анионы гидроксида (OH − ) на аноде. Это можно проверить, добавив в воду индикатор pH : вода около катода является щелочной, а вода около анода — кислой. Гидроксиды OH − , которые приближаются к аноду, в основном соединяются с положительными ионами гидроксония (H 3 O + ), образуя воду. Положительные ионы гидроксония, которые приближаются к катоду, в основном соединяются с отрицательными ионами гидроксида, образуя воду. Относительно небольшое количество ионов гидроксония/гидроксида достигает катода/анода. Это может вызвать перенапряжение на обоих электродах.

Чистая вода имеет плотность носителей заряда, близкую к полупроводникам [12] [ нужна страница ], поскольку она имеет низкую автоионизацию , K w = 1,0×10 −14 при комнатной температуре, и, таким образом, чистая вода плохо проводит ток, 0,055 мкСм/см. [13] Если не приложить большой потенциал для увеличения автоионизации воды, электролиз чистой воды протекает медленно, ограниченный общей проводимостью.

Водный электролит может значительно повысить проводимость. Электролит распадается на катионы и анионы; анионы устремляются к аноду и нейтрализуют накопление там положительно заряженных H + ; аналогично, катионы устремляются к катоду и нейтрализуют накопление там отрицательно заряженных OH − . Это обеспечивает непрерывный поток электричества. [14]

Анионы из электролита конкурируют с гидроксид-ионами, чтобы отдать электрон . Электролитный анион с меньшим стандартным электродным потенциалом , чем гидроксид, будет окисляться вместо гидроксида, не производя газообразного кислорода. Аналогично, катион с большим стандартным электродным потенциалом , чем ион водорода, будет восстанавливаться вместо водорода.

Различные катионы имеют более низкий электродный потенциал , чем H +, и поэтому подходят для использования в качестве катионов электролита: Li + , Rb + , K + , Cs + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + и Mg 2+ . Натрий и калий являются обычным выбором, [15], поскольку они образуют недорогие растворимые соли.

Если в качестве электролита используется кислота , катионом является H + , и при диссоциации воды не создается конкурент для H + . Наиболее часто используемый анион — сульфат ( SO2−
4), так как он трудно окисляется. Стандартный потенциал окисления этого иона до пероксидисульфат- иона составляет +2,010 вольт. [16]

Сильные кислоты, такие как серная кислота (H 2 SO 4 ), и сильные основания, такие как гидроксид калия (KOH) и гидроксид натрия (NaOH), часто используются в качестве электролитов из-за их сильных проводящих свойств.

Можно использовать твердый полимерный электролит, такой как Nafion , и при нанесении соответствующего катализатора с каждой стороны мембраны можно эффективно электролизовать при напряжении всего лишь 1,5 вольта. Несколько коммерческих систем электролиза используют твердые электролиты. [17]

Чистая вода

Электролиз чистой воды без электролита был достигнут с помощью электрохимических ячеек с глубоким субдебаевским нанозазором . Когда зазор между катодом и анодом меньше длины Дебая (1 микрон в чистой воде, около 220 нм в дистиллированной воде), области двойного слоя от двух электродов могут перекрываться, что приводит к равномерно высокому электрическому полю, распределенному по всему зазору. Такое высокое электрическое поле может значительно усилить перенос ионов (в основном за счет миграции), дополнительно усиливая самоионизацию , продолжая реакцию и показывая небольшое сопротивление между двумя электродами. В этом случае две полуреакции связаны и ограничены этапами переноса электронов (ток электролиза насыщается при более коротких расстояниях между электродами). [18]

Морская вода

Окружающая морская вода представляет собой проблему из-за присутствия соли и других примесей. Подходы могут включать или не включать опреснение перед электролизом. Традиционный электролиз производит токсичные и едкие ионы хлора (например, Cl−
и ClO−
). [19] [20] Было разработано несколько методов электролиза необработанной морской воды. Типичные электролизеры с протонообменной мембраной (PEM) требуют опреснения.

Косвенный электролиз морской воды включает два этапа: опреснение морской воды с использованием устройства предварительной обработки и затем производство водорода посредством традиционного электролиза воды. Этот метод повышает эффективность, снижает коррозию и продлевает срок службы катализатора. [21] Некоторые утверждают, что затраты на опреснение морской воды относительно невелики по сравнению с расщеплением воды, предполагая, что исследования должны быть сосредоточены на разработке более эффективных двухэтапных процессов расщепления воды, сопряженных с опреснением. [22] [23]

Однако установки непрямого электролиза морской воды требуют больше места, энергии и большего обслуживания, и некоторые полагают, что чистота воды, достигаемая с помощью обратного осмоса морской воды (SWRO), может быть недостаточной, что требует дополнительного оборудования и затрат. [21] Напротив, прямой электролиз морской воды пропускает этап предварительной обработки и вводит морскую воду непосредственно в электролизер для получения водорода. Этот подход рассматривается как более перспективный из-за ограниченных ресурсов пресной воды, необходимости отдавать приоритет основным потребностям человека и потенциала снижения потребления энергии и затрат. [23] [24] [25] Мембраны имеют решающее значение для эффективности электролиза, но на них могут отрицательно влиять посторонние ионы в морской воде, что сокращает их срок службы и снижает эффективность процесса электролиза. [26]

Один из подходов включает в себя объединение мембран прямого осмоса с расщеплением воды для непрерывного производства водорода из источников загрязненной воды. Расщепление воды создает градиент концентрации, уравновешенный притоком воды через прямой осмос, что позволяет непрерывно извлекать чистую воду. Однако эта конфигурация имеет такие проблемы, как возможность прохождения ионов Cl через мембрану и причинения ей повреждений, а также риск смешивания водорода и кислорода без сепаратора. [27]

Для решения этих проблем между электродами была введена недорогая полупроницаемая мембрана для разделения образующихся газов, что снизило стоимость мембраны и минимизировало окисление Cl. Кроме того, исследования показывают, что использование материалов на основе переходных металлов может эффективно поддерживать электролиз воды. [28] В некоторых исследованиях изучалось использование недорогих мембран обратного осмоса (<10$/м 2 ) для замены дорогих ионообменных мембран (500-1000$/м 2 ). Использование мембран обратного осмоса становится экономически привлекательным в системах электролиза воды в отличие от ионообменных мембран из-за их экономической эффективности и высокой протонной селективности, которую они предлагают для катионных солей, особенно при использовании высококонцентрированных электролитов. [29]

Альтернативный метод предполагает использование гидрофобной мембраны для предотвращения попадания ионов в стек ячеек. Этот метод объединяет гидрофобную пористую политетрафторэтиленовую (ПТФЭ) водонепроницаемую воздухопроницаемую мембрану с самозатухающим электролитом, используя гигроскопичный раствор серной кислоты с коммерческим щелочным электролизером для получения водорода из морской воды. В большем масштабе эта система электролиза морской воды может постоянно производить 386 л H2 в час в течение более 3200 часов без значительной коррозии катализатора или смачивания мембраны. Процесс использует разницу в давлении водяного пара между морской водой и самозатухающим электролитом для управления испарением морской воды и диффузией водяного пара, за которым следует сжижение адсорбированного водяного пара на самозатухающем электролите. [30] [21]

Методы

По состоянию на 2022 год для коммерческого электролиза требуется около 53 кВт·ч электроэнергии для производства одного кг водорода, что содержит 39,4 кВт·ч ( HHV ) энергии. [31]

Фундаментальная демонстрация

Два провода , идущие от клемм батареи, помещенной в чашку с водой с некоторым количеством электролита, создают проводимость. Использование NaCl (соли) в растворе электролита дает газообразный хлор , а не кислород из-за конкурирующей полуреакции . Бикарбонат натрия (пищевая сода) вместо этого дает водород и диоксид углерода, пока анион бикарбоната остается в растворе.

Спичечный тест, используемый для обнаружения присутствия водорода

вольтаметр Гофмана

Вольтаметр Хофмана представляет собой небольшую электролитическую ячейку. Он состоит из трех соединенных вертикальных цилиндров. Внутренний цилиндр открыт сверху, что позволяет добавлять воду и электролит. Платиновый электрод (пластина или сотовый) расположен в нижней части каждого из двух боковых цилиндров, подключенных к клеммам источника электроэнергии. Образующиеся газы вытесняют воду и собираются в верхней части двух внешних трубок, откуда их можно отвести с помощью запорного крана .

Высокое давление

Электролиз высокого давления подразумевает выход сжатого водорода около 12–20 МПа (120–200 бар , 1740–2900 фунтов на кв. дюйм ). [32] За счет повышения давления водорода в электролизере отпадает необходимость во внешнем водородном компрессоре . Среднее потребление энергии составляет около 3%. [33]

Высокая температура

Теоретическая эффективность термического расщепления воды. [34]
Эффективность 60% при 1000° C. Эффективность
паровой конверсии углеводородов в водород составляет 70-85% [35].

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз) более эффективен при более высоких температурах. Часть энергии поставляет тепловой двигатель , который обычно дешевле электричества [36] [37]

Электролиз щелочной воды

Электролиз щелочной воды — это тип электролиза , который характеризуется наличием двух электродов, работающих в жидком щелочном электролите. Обычно используется раствор гидроксида калия (KOH) или гидроксида натрия (NaOH) в концентрации 25-40% по весу. [38] Эти электроды разделены диафрагмой, разделяющей газообразные продукты и транспортирующей гидроксид-ионы (OH− ) от одного электрода к другому. [39] [40] Недавнее сравнение показало, что современные электролизеры воды на основе никеля со щелочными электролитами обеспечивают конкурентоспособную или даже лучшую эффективность, чем электролиз воды с кислым полимерным электролитом с электрокатализаторами на основе металлов платиновой группы. [41]

Технология имеет долгую историю в химической промышленности. Первый масштабный спрос на водород возник в конце 19 века для самолетов легче воздуха , и до появления парового риформинга в 1930-х годах эта технология была конкурентоспособной. [ необходима цитата ]

Технологии на основе водорода значительно развились с момента первоначального открытия водорода и его раннего применения в качестве плавучего газа примерно 250 лет назад. В 1804 году швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз получил патент на первое транспортное средство, работающее на водороде. Этот прототип, оснащенный четырехколесной конструкцией, использовал двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на смеси водорода и кислорода. Водородное топливо хранилось в баллоне, а зажигание достигалось с помощью электрического стартера, известного как стартер Вольта. Процесс сгорания приводил в движение поршень внутри цилиндра, который при опускании активировал колесо через храповой механизм. Это изобретение можно рассматривать как раннее воплощение системы, включающей хранилище водорода, трубопроводы, клапаны и устройство преобразования. [42]

Примерно через четыре десятилетия после того, как военный ученый Риттер разработал первый электролизер, химики Шенбейн и сэр Гроув независимо друг от друга определили и продемонстрировали концепцию топливного элемента. Эта технология работает в обратном направлении по отношению к электролизу около 1839 года. Это открытие стало важной вехой в области водородной технологии, продемонстрировав потенциал водорода как источника чистой энергии. [42]

Протонообменная мембрана

Электролизер с протонообменной мембраной разделяет реагенты и транспортирует протоны, блокируя прямой электронный путь через мембрану. Топливные элементы PEM используют твердую полимерную мембрану (тонкую пластиковую пленку), которая проницаема для ионов водорода ( протонов ), когда она насыщена водой, но не проводит электроны.

Он использует протонообменную мембрану или полимерно-электролитную мембрану (ПЭМ), которая представляет собой полупроницаемую мембрану, обычно изготавливаемую из иономеров и предназначенную для проведения протонов, одновременно выступая в качестве изолятора и барьера для реагентов, например, для кислорода и водорода . [43] Топливные элементы ПЭМ используют твердую полимерную мембрану (тонкую пластиковую пленку), которая проницаема для протонов при насыщении водой, но не проводит электроны. Протонообменные мембраны в первую очередь характеризуются протонной проводимостью (σ), проницаемостью для метанола ( P ) и термической стабильностью. [44]

PEM могут быть изготовлены либо из чистого полимера , либо из композитных мембран, где другие материалы встроены в полимерную матрицу. Одним из наиболее распространенных коммерчески доступных материалов является фторполимер (PFSA) [45] Nafion . [46] Nafion — это иономер с перфторированной основой, такой как Teflon . [47] Для изготовления иономеров для протонообменных мембран используются многие другие структурные мотивы. Многие используют полиароматические полимеры, в то время как другие используют частично фторированные полимеры.

Анионообменная мембрана

Электролиз с анионообменной мембраной использует анионообменную мембрану (AEM) для разделения продуктов, обеспечения электрической изоляции между электродами и облегчения ионной проводимости. В отличие от электролиза PEM, электролиз AEM допускает проводимость гидроксид-ионов. Заслуживающим внимания преимуществом электролиза воды на основе AEM является устранение необходимости в дорогих катализаторах на основе благородных металлов, поскольку вместо них можно использовать экономически эффективные катализаторы на основе переходных металлов. [48] [49]

Сверхкритическая вода

Сверхкритический электролиз воды (SWE) использует воду в сверхкритическом состоянии. Сверхкритическая вода требует меньше энергии, поэтому снижаются затраты. Она работает при температуре >375 °C, что снижает термодинамические барьеры и увеличивает кинетику, улучшая ионную проводимость по сравнению с жидкой или газообразной водой, что снижает омические потери. Преимущества включают в себя улучшенную электрическую эффективность, подачу продуктовых газов под давлением >221 бар, возможность работы при высоких плотностях тока и низкую зависимость от катализаторов из драгоценных металлов. По состоянию на 2021 год коммерческое оборудование SWE не было доступно. [50]

Никель/железо

В 2014 году исследователи объявили об электролизе с использованием катализаторов из никеля и железа вместо драгоценных металлов. Структура никель-металл/никель-оксид более активна, чем никель-металл или оксид никеля по отдельности. Катализатор значительно снижает требуемое напряжение . [51] [52] Никель-железные батареи исследуются для использования в качестве комбинированных батарей и электролизеров. Эти «батарейные лизеры» можно заряжать и разряжать как обычные батареи, и они будут вырабатывать водород при полной зарядке. [53]

В 2023 году исследователи в Австралии объявили об использовании пористого листа катализатора из фосфида никеля молибдена, легированного азотом. Легирование азотом увеличивает проводимость и оптимизирует электронную плотность и химию поверхности. Это создает дополнительные каталитические центры. Азот связывается с поверхностными металлами и имеет электроотрицательные свойства, которые помогают исключить нежелательные ионы и молекулы, в то время как поверхностные ионы фосфата, сульфата, нитрата и гидроксила блокируют хлор и предотвращают коррозию. 10 мА/см 2 можно достичь, используя 1,52 и 1,55 В в щелочном электролите и морской воде соответственно. [54]

Электрохимические ячейки Nanogap

В 2017 году исследователи сообщили о нанозазорных электрохимических ячейках , которые достигли высокоэффективного электролиза чистой воды без электролита при температуре окружающей среды. В этих ячейках два электрода расположены так близко друг к другу (меньше длины Дебая ), что скорость переноса массы может быть выше скорости переноса электронов, что приводит к двум полуреакциям , связанным вместе и ограниченным шагом переноса электронов. Эксперименты показывают, что плотность электрического тока может быть больше, чем у раствора гидроксида натрия 1 моль/л. Его «виртуальный механизм пробоя» полностью отличается от традиционной электрохимической теории из-за таких эффектов размера нанозазора. [18]

Капиллярная подача

Утверждается, что капиллярная электролизерная ячейка требует всего 41,5 кВт·ч для производства 1 кг водорода. Водный электролит изолирован от электродов пористым гидрофильным сепаратором. Вода втягивается в электролизер капиллярным действием, в то время как электролизованные газы выходят с обеих сторон. Он расширяет технологию PEM, устраняя пузырьки, которые уменьшают контакт между электродами и электролитом, снижая эффективность. Утверждается, что конструкция работает с энергоэффективностью 98% ( более высокая теплотворная способность водорода). Конструкция отказывается от циркуляции воды, сепараторных емкостей и других механизмов и может охлаждаться воздухом или излучением. [31] [55] Эффект накопления примесей в ячейке из тех, которые изначально присутствовали в исходной воде, пока не доступен.

Приложения

Около пяти процентов производимого в мире водорода создается электролизом. Подавляющее большинство современного промышленного производства водорода осуществляется из природного газа в процессе парового риформинга или путем частичного окисления угля или тяжелых углеводородов. Большая часть [ требуется ссылка ] водорода, производимого электролизом, является побочным продуктом при производстве хлора и каустической соды . Это яркий пример конкурирующей побочной реакции .

2NaCl + 2H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2NaOH

В процессе хлорщелочного разложения (электролиз рассола) смесь воды и хлорида натрия составляет только половину электролиза воды, поскольку хлорид- ионы окисляются до хлора, а не вода окисляется до кислорода. Термодинамически этого нельзя было бы ожидать, поскольку окислительный потенциал хлорид-иона меньше, чем у воды, но скорость хлоридной реакции намного больше, чем у воды, что приводит к ее преобладанию. Водород, полученный в этом процессе, либо сжигается (превращаясь обратно в воду), либо используется для производства специальных химикатов или в различных других мелкомасштабных приложениях.

Электролиз воды также используется для получения кислорода для Международной космической станции . [56] [57]

Многие промышленные электролизные ячейки похожи на вольтаметры Гофмана с платиновыми пластинами или сотами в качестве электродов. Обычно водород производится для точечных применений, таких как кислородно-водородные горелки или когда требуется водород или кислород высокой чистоты . Подавляющее большинство водорода производится из углеводородов и, как следствие, содержит следовые количества оксида углерода среди других примесей. Примесь оксида углерода может быть вредной для различных систем, включая многие топливные элементы .

Поскольку электролизеры можно снижать, в будущем их можно будет использовать для решения проблемы несоответствия спроса на электроэнергию. [58]

Эффективность

Промышленное производство

Иллюстрация входных и выходных данных простого электролиза воды для производства водорода.

Эффективность современных водородных генераторов измеряется энергией, потребляемой на стандартный объем водорода (МДж/м 3 ), предполагая стандартную температуру и давление H 2 . Чем ниже энергия, используемая генератором, тем выше будет его эффективность; 100%-ный эффективный электролизер будет потреблять 39,4 киловатт-часов на килограмм (142 МДж/кг) (более высокая теплотворная способность) водорода [59] , 12 749 джоулей на литр (12,75 МДж/м 3 ). Практический электролиз (с использованием вращающегося электролизера при давлении 15 бар) может потреблять 50 кВт⋅ч/кг (180 МДж/кг) и еще 15 кВт⋅ч (54 МДж), если водород сжимается для использования в водородных автомобилях. [60] Добавляя внешнее тепло при 150 °C (302 °F), потребление электроэнергии может быть снижено. [61]

На рынке доступны три основные технологии: щелочные , протонообменные мембранные (ПОМ) и твердооксидные электролизеры.

Щелочные электролизеры дешевле с точки зрения инвестиций (они обычно используют никелевые катализаторы), но наименее эффективны. Электролизеры PEM дороже (они обычно используют дорогие катализаторы из металлов платиновой группы), но более эффективны и могут работать при более высоких плотностях тока, и, следовательно, могут быть, возможно, дешевле, если производство водорода достаточно велико. Твердооксидные электролизные ячейки (SOEC) являются третьим по распространенности типом электролиза и самым дорогим, и используют высокие рабочие температуры для повышения эффективности. Теоретическая электрическая эффективность SOEC близка к 100% при 90% производстве водорода. [62] Деградация системы с течением времени изначально не влияет на эффективность электролизеров SOEC в отличие от PEM и щелочных электролизеров. По мере деградации системы SOEC напряжение ячейки увеличивается, производя больше тепла в системе естественным образом. Благодаря этому для поддержания системы в горячем состоянии требуется меньше энергии, что компенсирует потери энергии от резкой деградации на начальном этапе. [63] SOEC требует замены стека после нескольких лет деградации.

Эффективность

Поставщики электролизеров указывают эффективность на основе энтальпии . Чтобы оценить заявленную эффективность электролизера, важно установить, как ее определил поставщик (т. е. какое значение энтальпии, какая плотность тока и т. д.).

Обычный щелочной электролиз имеет эффективность около 70%. [64] С учетом принятого использования более высокой теплотворной способности (поскольку неэффективность через тепло может быть перенаправлена ​​обратно в систему для создания пара, необходимого катализатору), средняя рабочая эффективность электролиза PEM составляет около 80%. [65] [66] Ожидается, что она увеличится до 82–86% [67] до 2030 года. Теоретическая эффективность электролизеров PEM прогнозируется до 94%. [68]

В 2024 году австралийская компания Hysata анонсировала устройство, способное обеспечить КПД 95% относительно более высокой теплотворной способности водорода. Обычные системы потребляют 52,5 кВт·ч для производства водорода, который может хранить 39,4 кВт·ч энергии (1 кг). Ее технология требует всего 41,5 кВт·ч для производства 1 кг. Она использует капиллярный электролизер для устранения пузырьков водорода и кислорода в жидком электролите. Пузырьки непроводящие и могут прилипать к электродам, уменьшая воздействие электролита на электроды, увеличивая сопротивление. Hysata размещает электролит в нижней части устройства. Капиллярное действие протягивает его через пористый гидрофильный сепаратор между электродами. Каждый электрод имеет полный контакт с электролитом на внутренней стороне и сухую камеру на внешней стороне. [69] [70] Эффект накопления примесей в ячейке из тех, которые изначально присутствовали в исходной воде, пока недоступен.

Расходы

Расчет стоимости сложен, [71] а рыночная цена едва ли существует. [72] Учитывая промышленное производство водорода и использование лучших современных процессов электролиза воды (PEM или щелочной электролиз), которые имеют эффективную электрическую эффективность 70–80%, [68] [73] [74] производство 1 кг водорода (который имеет удельную энергию 143 МДж/кг) требует 50–55 кВт⋅ч (180–200 МДж) электроэнергии. При стоимости электроэнергии 0,06 долл./кВт·ч, как указано в целевых показателях производства водорода Министерства энергетики США на 2015 год, [75] стоимость водорода составляет 3 долл./кг. Стоимость оборудования зависит от массового производства. Эксплуатационные расходы зависят от стоимости электроэнергии примерно на половину от нормированной цены продукта. [72] [71]

Себестоимость производства H 2 (долл. США - gge без учета налогов) при различных ценах на природный газ

Сравнение с водородом, полученным методом паровой конверсии метана (SMR)

С диапазоном цен на природный газ с 2016 года, показанным на графике (Дорожная карта технической группы по производству водорода, ноябрь 2017 года), который устанавливает стоимость водорода, полученного методом парового метанового реформинга (SMR), между 1,20 и 1,50 долл. США, себестоимость водорода, полученного путем электролиза, все еще превышает целевые цены на водород Министерства энергетики США на 2015 год в два раза. Целевая цена Министерства энергетики США на водород в 2020 году составляет 2,30 долл. США/кг, что требует затрат на электроэнергию в размере 0,037 долл. США/кВт·ч, что достижимо с учетом тендеров PPA 2018 года [76] для ветровой и солнечной энергии во многих регионах. Это ставит цель распределения H2 в размере 4 долл. США/галлон бензина в эквиваленте (gge) вполне достижимой и близкой к слегка завышенной стоимости производства природного газа для SMR.

В других частях света цена водорода SMR составляет в среднем от 1 до 3 долларов США/кг. Это делает производство водорода с помощью электролиза конкурентоспособным по стоимости во многих регионах, как указано в Nel Hydrogen [77] и других, включая статью МЭА [78], в которой рассматриваются условия, которые могут привести к конкурентному преимуществу для электролиза. Значительный рост цен на газ во время мирового энергетического кризиса 2021–2022 годов сделал электролиз водорода экономически выгодным в некоторых частях мира. [79]

Удобства

Некоторые крупные промышленные электролизеры работают на мощности в несколько мегаватт. По состоянию на 2022 год крупнейшим является щелочной завод мощностью 150 МВт в Нинся, Китай, с производительностью до 23 000 тонн в год. [80] В то время как более эффективное западное электролизное оборудование может стоить 1200 долларов США/кВт, менее эффективное китайское оборудование может стоить 300 долларов США/кВт, но с более коротким сроком службы — 60 000 часов. [81]

По состоянию на 2022 год различные аналитики прогнозируют ежегодное производство оборудования к 2030 году на уровне 47 ГВт, 104 ГВт и 180 ГВт соответственно. [82]

Перенапряжение

Реальные электролизеры воды требуют более высоких напряжений для протекания реакции. Часть, которая превышает 1,23 В [83] , называется перенапряжением или перенапряжением и представляет собой любой вид потерь и неидеальности в электрохимическом процессе.

Для хорошо спроектированной ячейки наибольшим перенапряжением является перенапряжение реакции для четырехэлектронного окисления воды до кислорода на аноде; электрокатализаторы могут облегчить эту реакцию, и платиновые сплавы являются современным достижением для этого окисления. Разработка дешевого, эффективного электрокатализатора для этой реакции была бы большим шагом вперед и является темой текущих исследований; существует много подходов, среди которых 30-летний рецепт для сульфида молибдена , [84] графеновых квантовых точек , [85] углеродных нанотрубок , [52] перовскита , [86] и никеля/оксида никеля. [87] [88] Фосфид тримолибдена ( Mo3P ) недавно был обнаружен как многообещающий недрагоценный металл и широко распространенный кандидат на землю с выдающимися каталитическими свойствами, который может быть использован для электрокаталитических процессов. Каталитическая эффективность наночастиц Mo3P была протестирована в реакции выделения водорода (HER), указав начальный потенциал всего 21 мВ, скорость образования H2 и плотность тока обмена 214,7 мкмоль/(с·г) кат (при перенапряжении всего 100 мВ) и 279,07 мкА/см2 соответственно , что является одними из самых близких значений, когда-либо наблюдавшихся для платины. [89] [90] Более простая двухэлектронная реакция для получения водорода на катоде может быть электрокатализирована практически без перенапряжения платиной или, теоретически, ферментом гидрогеназой . Если для катода используются другие, менее эффективные материалы (например, графит ), появятся большие перенапряжения.

Термодинамика

Электролиз воды в стандартных условиях требует теоретического минимума в 237 кДж электрической энергии для диссоциации каждого моля воды, что является стандартной свободной энергией Гиббса образования воды. Также требуется тепловая энергия для уравновешивания изменения энтропии реакции. Поэтому процесс не может протекать при постоянной температуре при электрической энергии ниже 286 кДж на моль, если не добавляется внешняя тепловая энергия.

Поскольку каждый моль воды требует два моля электронов , и учитывая, что постоянная Фарадея F представляет собой заряд моля электронов (96485 Кл/моль), следует, что минимальное напряжение, необходимое для электролиза, составляет около 1,23 В. [91] Если электролиз проводится при высокой температуре, это напряжение уменьшается. Это фактически позволяет электролизеру работать с более чем 100% электрической эффективностью. В электрохимических системах это означает, что для поддержания реакции в реактор должно подаваться тепло. Таким образом, тепловая энергия может быть использована для части потребности в энергии электролиза. [92] Аналогичным образом требуемое напряжение может быть уменьшено (ниже 1 В), если топливо (такое как углерод, спирт, биомасса) реагирует с водой (электролизер на основе PEM при низкой температуре) или ионами кислорода (электролизер на основе твердооксидного электролита при высокой температуре). Это приводит к тому, что часть энергии топлива используется для «помощи» процессу электролиза и может снизить общую стоимость производимого водорода. [93]

Однако, учитывая энтропийную составляющую (и другие потери), для протекания реакции при практических плотностях тока требуются напряжения более 1,48 В ( термонейтральное напряжение ).

В случае электролиза воды свободная энергия Гиббса представляет собой минимальную работу, необходимую для протекания реакции, а энтальпия реакции — это количество энергии (как работы, так и тепла), которое должно быть предоставлено, чтобы продукты реакции имели ту же температуру, что и реагент (т. е. стандартную температуру для значений, приведенных выше). Потенциально электролизер, работающий при 1,48 В, будет работать изотермически при температуре 25°C, поскольку подаваемая электрическая энергия будет равна энтальпии (теплу) разложения воды, и это потребует на 20% больше электрической энергии, чем минимум.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Hydrogen Basics — Production". Florida Solar Energy Center. 2007. Архивировано из оригинала 18 февраля 2008 года . Получено 5 февраля 2008 года .
  2. ^ Кафф, Мадлен (28 августа 2024 г.). «Сверхдешевый зеленый водород на горизонте?». New Scientist . Получено 29 августа 2024 г.
  3. ^ Леви, Р. де (октябрь 1999 г.). «Электролиз воды». Журнал электроаналитической химии . 476 (1): 92–93. doi :10.1016/S0022-0728(99)00365-4.
  4. ^ Дэви, Джон, ред. (1839). «О некоторых химических агентах электричества». Собрание сочинений сэра Гемфри Дэви . Т. 5. С. 1–12.
  5. ^ "Лачинов Дмитрий Александрович". Большая Кирилло-Мефодиевская энциклопедия (на русском языке). Архивировано из оригинала 26 июля 2011 года.
  6. ^ Zumdahl, Steven S.; Zumdahl, Susan A. (1 января 2013 г.). Химия (9-е изд.). Cengage Learning . стр. 30. ISBN 978-1-13-361109-7.
  7. ^ Кармо, М.; Фриц Д.; Мергель Дж.; Столтен Д. (2013). «Комплексный обзор электролиза воды с помощью PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  8. ^ "5.9 Проводимость | Мониторинг и оценка | Агентство по охране окружающей среды США". Веб-архив Агентства по охране окружающей среды США . Архивировано из оригинала 30 июля 2024 года . Получено 20 октября 2024 года .
  9. ^ Неизвестно. "Стандарты качества воды" (PDF) . Координационный комитет по водосбору реки Мэри . Архивировано (PDF) из оригинала 3 октября 2024 г. . Получено 20 октября 2024 г. .
  10. ^ Clean Water Team (CWT) 2004. Информационный листок по электропроводности/солености, FS3.1.3.0(EC). в: The Clean Water Team Guidance Compendium for Watershed Monitoring and Assessment, Version 2.0. Отдел качества воды, Калифорнийский государственный совет по контролю за водными ресурсами (SWRCB), Сакраменто, Калифорния.
  11. ^ Колли, AN; и др. (2019). «Недрагоценные электроды для практического электролиза щелочной воды». Материалы . 12 (8): 1336. Bibcode : 2019Mate...12.1336C. ​​doi : 10.3390/ma12081336 . PMC 6515460. PMID  31022944 . 
  12. ^ Фуллер, CS (1959). «Взаимодействие дефектов в полупроводниках». В Hannay, NB (ред.). Полупроводники . Нью-Йорк: Reinhold. С. 192–221.
  13. ^ Лайт, Трумэн С.; Лихт, Стюарт; Бевилаква, Энтони К.; Мораш, Кеннет Р. (1 января 2005 г.). «Фундаментальная проводимость и сопротивление воды». Electrochemical and Solid-State Letters . 8 (1): E16–E19. doi :10.1149/1.1836121. ISSN  1099-0062. S2CID  54511887.
  14. ^ ПОЛИНГ, ЛАЙНУС (1953). «Раздел 15-2». Общая химия (2-е изд.).
  15. ^ Chatenet, Marian; Pollet, Bruno G.; Dekel, Dario R.; Dionigi, Fabio; Deseure, Jonathan; Millet, Pierre; Braatz, Richard D.; Bazant, Martin Z.; Eikerling, Michael; Staffell, Iain; Balcombe, Paul; Shao-Horn, Yang; Schäfer, Helmut (2022). «Электролиз воды: от знаний из учебников до новейших научных стратегий и промышленных разработок». Chemical Society Reviews . 51 (11): 4583–4762. doi :10.1039/d0cs01079k. PMC 9332215. PMID  35575644 . 
  16. ^ Хейнс, Уильям М. (2012). CRC справочник по химии и физике: готовый справочник химических и физических данных (93-е, 2012-2013 ред.). Бока-Ратон, Флорида: CRC. ISBN 9781439880494. OCLC  793213751.
  17. ^ Badwal, SPS; Giddey S; Munnings C (2012). "Производство водорода с помощью твердых электролитических маршрутов" . WIREs Energy and Environment . 2 (5): 473–487. Bibcode :2013WIREE...2..473B. doi :10.1002/wene.50. S2CID  135539661. Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г. . Получено 23 января 2013 г. .
  18. ^ ab Wang, Yifei; Narayanan, SR; Wu, Wei (11 июля 2017 г.). «Расщепление чистой воды с помощью поля на основе электрохимических ячеек с глубоким субдебаевским зазором». ACS Nano . 11 (8): 8421–8428. doi :10.1021/acsnano.7b04038. ISSN  1936-0851. PMID  28686412.
  19. ^ Куанг, Юнь; Кенни, Майкл Дж.; Мэн, Юнтао; Хун, Вэй-Сюань; Лю, Ицзинь; Хуан, Цзянань Эрик; Прасанна, Рохит; Ли, Пэнсун; Ли, Япин; Ван, Лэй; Линь, Мэн-Чан; МакГихи, Майкл Д.; Сан, Сяомин; Дай, Хунцзе (2 апреля 2019 г.). «Высокоустойчивое расщепление морской воды на водородное и кислородное топливо, обеспечиваемое солнечной энергией». Труды Национальной академии наук . 116 (14): 6624–6629. Bibcode : 2019PNAS..116.6624K. doi : 10.1073/pnas.1900556116 . PMC 6452679 . PMID  30886092. 
  20. ^ Дресп, Сёрен; Диониджи, Фабио; Клингенхоф, Мальте; Штрассер, Питер (12 апреля 2019 г.). «Прямое электролитическое расщепление морской воды: возможности и проблемы». ACS Energy Letters . 4 (4): 933–942. doi :10.1021/acsenergylett.9b00220. S2CID  189716726.
  21. ^ abc Сюй, Шао-Вэнь; Ли, Цзяньи; Чжан, Нань; Шен, Вэй; Чжэн, Яо; Си, Пиньсянь (2023). «Последние достижения в области прямого расщепления морской воды для производства водорода». Химические коммуникации . 59 (65): 9792–9802. дои : 10.1039/d3cc02074f. PMID  37527284. S2CID  260225254.
  22. ^ Хан, Массачусетс; Аль-Аттас, Тарек; Рой, Сумьябрата; Рахман, Мухаммад М.; Гаффур, Нореддин; Тангадурай, Венкатараман; Лартер, Стивен; Ху, Цзингуан; Аджаян, Пуликель М.; Кибрия, Мэриленд Голам (2021). «Электролиз морской воды для производства водорода: решение ищет проблему?». Энергетика и экология . 14 (9): 4831–4839. дои : 10.1039/d1ee00870f. hdl : 10754/670257 .
  23. ^ ab Хаусманн, Й. Никлас; Шлегль, Роберт; Менезес, Прашант В.; Дрисс, Маттиас (2021). «Имеет ли прямое расщепление морской воды экономический смысл?». Энергетика и наука об окружающей среде . 14 (7): 3679–3685. doi : 10.1039/D0EE03659E .
  24. ^ Фаррас, Пау; Штрассер, Питер; Коуэн, Александр Дж. (август 2021 г.). «Электролиз воды: прямо из моря или нет?». Joule . 5 (8): 1921–1923. doi : 10.1016/j.joule.2021.07.014 .
  25. ^ Maril, Marisol; Delplancke, Jean-Luc; Cisternas, Nataly; Tobosque, Pablo; Maril, Yasmín; Carrasco, Claudia (январь 2022 г.). «Критические аспекты разработки анодов для использования в электролизе морской воды». Международный журнал водородной энергетики . 47 (6): 3532–3549. doi :10.1016/j.ijhydene.2021.11.002. S2CID  244561736.
  26. ^ Ping, Qingyun; Cohen, Barak; Dosoretz, Carlos; He, Zhen (сентябрь 2013 г.). «Длительное исследование загрязнения катионообменных и анионообменных мембран в микробных опреснительных ячейках». Desalination . 325 : 48–55. Bibcode : 2013Desal.325...48P. doi : 10.1016/j.desal.2013.06.025.
  27. ^ Вероно, Сэмюэл С.; Носера, Дэниел Г. (2 марта 2021 г.). «Непрерывное электрохимическое расщепление воды из природных источников воды с помощью прямого осмоса». Труды Национальной академии наук . 118 (9): e2024855118. Bibcode : 2021PNAS..11824855V. doi : 10.1073 /pnas.2024855118 . PMC 7936378. PMID  33619109. 
  28. ^ Вероно, Сэмюэл С.; Хартнетт, Алайна К.; Тораринсдоттир, Агнес Э.; Носера, Дэниел Г. (28 февраля 2022 г.). «Прямое расщепление морской воды с помощью прямого осмоса, сопряженного с электролизом воды». ACS Applied Energy Materials . 5 (2): 1403–1408. doi :10.1021/acsaem.1c03998. S2CID  246661386.
  29. ^ Ши, Ле; Росси, Руджеро; Сон, Мун; Холл, Дерек М.; Хикнер, Майкл А.; Горски, Кристофер А.; Логан, Брюс Э. (2020). «Использование мембран обратного осмоса для управления переносом ионов во время электролиза воды». Энергетика и наука об окружающей среде . 13 (9): 3138–3148. doi :10.1039/d0ee02173c. S2CID  224980142.
  30. ^ Се, Хэпин; Чжао, Чжию; Лю, Тао; У, Ифань; Лан, Ченг; Цзян, Вэньчуань; Чжу, Лянъюй; Ван, Юньпэн; Ян, Дуншэн; Шао, Цзунпин (22 декабря 2022 г.). «Мембранный электролизер морской воды для производства водорода». Природа . 612 (7941): 673–678. Бибкод : 2022Natur.612..673X. дои : 10.1038/s41586-022-05379-5. PMID  36450987. S2CID  254123372.
  31. ^ ab Blain, Loz (16 марта 2022 г.). "Рекордный водородный электролизер заявляет о 95% эффективности". New Atlas . Архивировано из оригинала 25 декабря 2022 г. . Получено 25 декабря 2022 г. .
  32. ^ "2001-Электролиз высокого давления – Ключевая технология для эффективного H.2" (PDF) . Получено 25 февраля 2024 г.
  33. ^ Ghosh, PC; Emonts, B; Janßen, H; Mergel, J; Stolten, D (2003). «Десять лет опыта эксплуатации системы возобновляемой энергии на основе водорода» (PDF) . Солнечная энергия . 75 (6): 469–478. Bibcode :2003SoEn...75..469G. doi :10.1016/j.solener.2003.09.006. Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2009 г.
  34. ^ JE O'Brien; CM Stoots; JS Herring; MG McKellar; EA Harvego; MS Sohal; KG Condie (2010). Высокотемпературный электролиз для производства водорода из ядерной энергии? TechnologySummary (PDF) (Отчет). doi :10.2172/978368.
  35. ^ Каламарас, Христос М.; Эфстатиу, Ангелос М. (6 июня 2013 г.). «Технологии производства водорода: текущее состояние и будущие разработки». Материалы конференции по науке . 2013 : e690627. doi : 10.1155/2013/690627 .
  36. ^ "Высокотемпературный электролиз с использованием SOEC". Hi2h2. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Получено 5 мая 2016 года .
  37. ^ "WELTEMPЭлектролиз воды при повышенных температурах". Weltemp.eu. 31 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Получено 5 мая 2016 г.
  38. ^ Chatenet, Marian; Pollet, Bruno G.; Dekel, Dario R.; Dionigi, Fabio; Deseure, Jonathan; Millet, Pierre; Braatz, Richard D.; Bazant, Martin Z.; Eikerling, Michael; Staffell, Iain; Balcombe, Paul; Shao-Horn, Yang; Schäfer, Helmut (2022). «Электролиз воды: от знаний из учебников до новейших научных стратегий и промышленных разработок». Chemical Society Reviews . 51 (11): 4583–4762. doi :10.1039/d0cs01079k. PMC 9332215. PMID  35575644 . 
  39. ^ Кармо, М.; Фриц Д.; Мергель Дж.; Столтен Д. (2013). «Комплексный обзор электролиза воды с помощью PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901. Bibcode : 2013IJHE...38.4901C. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  40. ^ "Щелочной электролиз воды" (PDF) . Энергоносители и системы преобразования энергии . Получено 19 октября 2014 г.
  41. ^ Шаленбах, М.; Тьяркс Г.; Кармо М.; Люке В.; Мюллер М.; Столтен Д. (2016). «Кислотный или щелочной? К новому взгляду на эффективность электролиза воды». Журнал электрохимического общества . 163 (11): F3197. doi : 10.1149/2.0271611jes . S2CID  35846371.
  42. ^ ab Jordan, Thomas (2022), «Водородные технологии», Безопасность водорода для энергетических приложений , Elsevier, стр. 25–115, doi :10.1016/b978-0-12-820492-4.00005-1, ISBN 978-0-12-820492-4, получено 27 апреля 2024 г.
  43. ^ Альтернативные электрохимические системы для озонирования воды. NASA Tech Briefs (Технический отчет). NASA . 20 марта 2007 г. MSC-23045 . Получено 17 января 2015 г.
  44. ^ Nakhiah Goulbourne. "Исследовательские темы для материалов и процессов для топливных элементов PEM REU на 2008 год". Virginia Tech . Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года . Получено 18 июля 2008 года .
  45. ^ Zhiwei Yang; et al. (2004). "Novel inorganic/organic hybrid electrical membranes" (PDF) . Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem . 49 (2): 599. Архивировано из оригинала (PDF) 28 апреля 2017 г. . Получено 19 октября 2021 г. .
  46. ↑ Патент США 5266421, Таунсенд, Карл В. и Назелов, Артур Б., «Улучшенный интерфейс мембрана-электрод», выдан 11 ноября 2008 г., передан Hughes Aircraft 
  47. ^ Габриэль Гаш (17 декабря 2007 г.). «Разработана новая протонообменная мембрана – Nafion обещает недорогие топливные элементы». Softpedia . Архивировано из оригинала 23 апреля 2008 г. Получено 18 июля 2008 г.
  48. ^ Varcoe, John R.; Atanassov, Plamen; Dekel, Dario R.; Herring, Andrew M.; Hickner, Michael A.; Kohl, Paul. A.; Kucernak, Anthony R.; Mustain, William E.; Nijmeijer, Kitty; Scott, Keith; Xu, Tongwen; Zhuang, Lin (2014). «Анионообменные мембраны в электрохимических энергетических системах». Energy Environ. Sci . 7 (10): 3135–3191. doi : 10.1039/C4EE01303D . hdl : 10044/1/24509 .
  49. ^ Декель, Дарио Р. (январь 2018 г.). «Обзор производительности ячеек в топливных ячейках с анионообменной мембраной». Журнал источников питания . 375 : 158–169. Bibcode : 2018JPS...375..158D. doi : 10.1016/j.jpowsour.2017.07.117 .
  50. ^ "Разработка самого эффективного электролизера в мире". Сверхкритический . Архивировано из оригинала 6 ноября 2021 г. . Получено 6 ноября 2021 г. .
  51. ^ "Недорогой водоразделитель, работающий от обычной батарейки ААА". KurzweilAI . 22 августа 2014 г. Архивировано из оригинала 16 апреля 2015 г. Получено 11 апреля 2015 г.
  52. ^ Аб Гонг, Мин; Чжоу, Ву; Цай, Мон-Че; Чжоу, Цзиган; Гуань, Минюнь; Линь, Мэн-Чанг; Чжан, Бо; Ху, Юнфэн; Ван, Ди-Янь; Ян, Цзян; Пенникук, Стивен Дж.; Хван, Бин-Джо; Дай, Хунцзе (2014). «Наноразмерные гетероструктуры оксид никеля / никеля для электрокатализа выделения активного водорода». Природные коммуникации . 5 : 4695. Бибкод : 2014NatCo...5.4695G. дои : 10.1038/ncomms5695 . ПМИД  25146255.
  53. ^ Mulder, FM; et al. (2017). «Эффективное хранение электроэнергии с помощью battolyser, интегрированной Ni-Fe-батареи и электролизера». Energy and Environmental Science . 10 (3): 756–764. doi :10.1039/C6EE02923J. S2CID  99216185. Получено 6 июня 2020 г.
  54. ^ Блейн, Лоз (14 февраля 2023 г.). ««Исключительный» новый катализатор дешево расщепляет водород из морской воды». Новый Атлас . Архивировано из оригинала 14 февраля 2023 г. Получено 14 февраля 2023 г.
  55. ^ Ходжес, Аарон; Хоанг, Ань Линь; Цекурас, Джордж; Вагнер, Клаудия; Ли, Чонг-Йонг; Свигерс, Герхард Ф.; Уоллес, Гордон Г. (15 марта 2022 г.). «Высокопроизводительная капиллярная электролитическая ячейка обещает более конкурентоспособный по стоимости возобновляемый водород». Nature Communications . 13 (1): 1304. Bibcode :2022NatCo..13.1304H. doi : 10.1038/s41467-022-28953-x . PMC 8924184 . PMID  35292657. 
  56. ^ "Making Space Safer with Electrolysis". ASME . Архивировано из оригинала 15 мая 2012 года . Получено 26 мая 2012 года .
  57. ^ "Дышать легко на космической станции". NASA Science. Архивировано из оригинала 19 мая 2012 года . Получено 26 мая 2012 года .
  58. ^ «Новым электрическим сетям сложнее сбалансировать спрос и предложение». The Economist . ISSN  0013-0613. Архивировано из оригинала 30 апреля 2023 г. Получено 30 апреля 2023 г.
  59. ^ Лука Бертуччиоли и др. (7 февраля 2014 г.). «Развитие электролиза воды в Европейском союзе» (PDF) . Совместное предприятие по производству топливных элементов и водорода . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2015 г. Получено 3 декабря 2014 г.(страница 10) Архивировано 10 марта 2016 г. на Wayback Machine .
  60. ↑ Стенсволд, Торе (26 января 2016 г.). «Coca-Cola-oppskrift» может стать источником водорода для nytt norsk industriventyr. Архивировано 5 марта 2016 года на Wayback Machine . Технический Укеблад , .
  61. ^ Коллинз, Ли (28 апреля 2022 г.). «„Дешевый зеленый водород“ | Новый недорогой электролизер американского стартапа обещает на 30% больше выгоды за доллар». Recharge . Архивировано из оригинала 1 мая 2022 г. . Получено 1 мая 2022 г. .
  62. ^ "Helmeth". Высокотемпературная электролизная ячейка . Архивировано из оригинала 24 мая 2022 года . Получено 20 июня 2022 года .
  63. ^ "Уроки, извлеченные из разработки SOFC/SOEC" (PDF) . DOE . Архивировано (PDF) из оригинала 20 июня 2022 г. . Получено 20 июня 2022 г. .
  64. ^ Столтен, Детлеф (4 января 2016 г.). Водородная наука и инженерия: материалы, процессы, системы и технологии. John Wiley & Sons. стр. 898. ISBN 9783527674299. Архивировано из оригинала 22 апреля 2018 . Получено 22 апреля 2018 .
  65. ^ Бернхольц, Ян (13 сентября 2018 г.). "Бывшие, текущие и возможные будущие применения RWE в области хранения энергии" (PDF) . RWE . стр. 10. Архивировано из оригинала 23 мая 2019 г. . Получено 23 мая 2019 г. . Общая эффективность: 70% или 86% (использование отработанного тепла)
  66. ^ "ITM – Hydrogen Refuelling Infrastructure – February 2017" (PDF) . level-network.com . стр. 12. Архивировано (PDF) из оригинала 17 апреля 2018 г. . Получено 17 апреля 2018 г. .
  67. ^ "Снижение затрат и повышение производительности электролизеров PEM" (PDF) . Европа (веб-портал). стр. 9. Архивировано (PDF) из оригинала 17 апреля 2018 г. . Получено 17 апреля 2018 г. .
  68. ^ ab Bjørnar Kruse; Sondre Grinna; Cato Buch (13 февраля 2002 г.). "Hydrogen—Status and Possibilities" (PDF) . The Bellona Foundation. стр. 20. Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2013 г. Прогнозируется, что КПД электролизеров PEM составит до 94%, но на данный момент это только теория.
  69. ^ Блейн, Лоз (13 мая 2024 г.). «Самая эффективная в мире водородная система масштабируется для массового производства». New Atlas . Получено 16 мая 2024 г.
  70. ^ Ходжес, Аарон; Хоанг, Ань Линь; Цекурас, Джордж; Вагнер, Клаудия; Ли, Чонг-Йонг; Свигерс, Герхард Ф.; Уоллес, Гордон Г. (15 марта 2022 г.). «Высокопроизводительная капиллярная электролитическая ячейка обещает более конкурентоспособный по стоимости возобновляемый водород». Nature Communications . 13 (1): 1304. Bibcode :2022NatCo..13.1304H. doi :10.1038/s41467-022-28953-x. PMC 8924184 . PMID  35292657. 
  71. ^ ab Martin, Polly (27 июля 2023 г.). «АНАЛИЗ | Сколько на самом деле стоит килограмм зеленого водорода? Ну, это сложно». rechargenews.com . Цена на электроэнергию является важнейшим фактором, определяющим стоимость зеленого H2, составляя 60–75 % от конечной стоимости производства водорода.
  72. ^ ab Collins, Leigh (24 апреля 2024 г.). «АНАЛИЗ | Чистый водород «остается слишком дорогим и неконкурентоспособным» — как можно снизить затраты?». rechargenews.com .
  73. ^ Вернер Циттель; Рейнхольд Вюрстер (8 июля 1996 г.). "Глава 3: Производство водорода. Часть 4: Производство из электричества с помощью электролиза". HyWeb: Knowledge – Hydrogen in the Energy Sector . Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH. Архивировано из оригинала 7 февраля 2007 г. . Получено 14 января 2006 г. .
  74. ^ "высокоскоростной и высокоэффективный 3D-электролиз воды". Grid-shift.com. Архивировано из оригинала 22 марта 2012 г. Получено 13 декабря 2011 г.
  75. ^ "Технические цели DOE по производству водорода методом электролиза". energy.gov . Министерство энергетики США. Архивировано из оригинала 23 апреля 2018 г. Получено 22 апреля 2018 г.
  76. ^ Deign, Jason. "Xcel привлекает 'беспрецедентные' низкие цены на солнечную и ветровую энергию в сочетании с хранением". greentechmedia.com . Wood MacKenzie. Архивировано из оригинала 4 февраля 2018 г. Получено 22 апреля 2018 г.
  77. ^ "Широкое распространение адаптации конкурентного решения водорода" (PDF) . nelhydrogen.com . Nel ASA. Архивировано (PDF) из оригинала 22 апреля 2018 г. . Получено 22 апреля 2018 г. .
  78. ^ Филибер, Седрик. «Комментарий: Производство промышленного водорода из возобновляемой энергии». iea.org . Международное энергетическое агентство. Архивировано из оригинала 22 апреля 2018 г. Получено 22 апреля 2018 г.
  79. ^ Коллинз, Ли (7 марта 2022 г.). «Украинская война | Зеленый водород «теперь дешевле серого в Европе, на Ближнем Востоке и в Китае»: BNEF». Перезарядка . Архивировано из оригинала 5 апреля 2022 г.
  80. ^ Коллинз, Ли (1 февраля 2022 г.). «Рекордсмен | Крупнейший в мире проект по производству зеленого водорода с электролизером мощностью 150 МВт запущен в эксплуатацию в Китае». Перезарядка . Архивировано из оригинала 6 февраля 2022 г. Получено 6 февраля 2022 г.
  81. ^ Хейворд, Хак (19 апреля 2022 г.). «Пекинский водородный орган признает, что китайские электролизеры не могут конкурировать с западными машинами — пока». Перезарядка . Архивировано из оригинала 20 апреля 2022 г.
  82. ^ Коллинз, Ли (12 апреля 2022 г.). «Рост на 8000% | «К 2031 году ежегодно будет производиться более 100 ГВт водородных электролизеров». Перезарядка . Архивировано из оригинала 12 апреля 2022 г.
  83. ^ 1,23 В — стандартный потенциал; в нестандартных условиях он может быть другим, в частности, уменьшаться с температурой.
  84. ^ Kibsgaard, Jakob; Jaramillo, Thomas F.; Besenbacher, Flemming (2014). «Building an appropriate active-site motif into a hydro-evolution catalyst with thiomolybdate [Mo3S13]2− clusters». Nature Chemistry . 6 (3): 248–253. Bibcode :2014NatCh...6..248K. doi :10.1038/nchem.1853. PMID  24557141. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 г. . Получено 1 июля 2019 г. .
  85. ^ Fei, Huilong; Ye, Ruquan; Ye, Gonglan; Gong, Yongji; Peng, Zhiwei; Fan, Xiujun; Samuel, Errol LG; Ajayan, Pulickel M.; Tour, James M. (2014). «Графены с квантовыми точками, легированными бором и азотом/графеновые гибридные нанопластины как эффективные электрокатализаторы для восстановления кислорода». ACS Nano . 8 (10): 10837–43. doi :10.1021/nn504637y. PMID  25251218.
  86. ^ Luo, J.; Im, J.-H.; Mayer, MT; Schreier, M.; Nazeeruddin, MK; Park, N.-G.; Tilley, SD; Fan, HJ; Gratzel, M. (2014). «Фотолиз воды с эффективностью 12,3% с помощью перовскитных фотоэлектрических элементов и катализаторов, распространенных на Земле». Science . 345 (6204): 1593–1596. Bibcode :2014Sci...345.1593L. doi :10.1126/science.1258307. PMID  25258076. S2CID  24613846.
  87. ^ Шварц, Марк (22 августа 2014 г.). «Ученые Стэнфорда разрабатывают водоразделитель, работающий от обычной батарейки ААА». News.stanford.edu. Архивировано из оригинала 16 апреля 2016 г. Получено 5 мая 2016 г.
  88. ^ «Ученые разработали водоразделитель, работающий от обычной батарейки ААА». Technology.org. 25 августа 2014 г. Архивировано из оригинала 2 апреля 2016 г. Получено 5 мая 2016 г.
  89. ^ Kondori, Alireza (2 мая 2019 г.). «Определение каталитически активных участков фосфида тримолибдена (Mo3P) для электрохимического выделения водорода». Advanced Energy Materials . 9 (22). AdvancedEnergyMaterials: 1900516. Bibcode :2019AdEnM...900516K. doi : 10.1002/aenm.201900516 . OSTI  1531000.
  90. ^ Ши, Яньмэй (25 января 2016 г.). «Последние достижения в области наноматериалов на основе фосфида переходных металлов: синтез и применение в реакции выделения водорода». Chemical Society Reviews . 45 (6). ChemicalSocietyReviews: 1529–1541. doi :10.1039/C5CS00434A. PMID  26806563.
  91. ^ Хайман Д. Гессер (2002). Прикладная химия. Springer. стр. 16–. ISBN 978-0-306-46700-4. Получено 18 декабря 2011 г.
  92. ^ Badwal, Sukhvinder PS; Giddey, Sarbjit; Munnings, Christopher (сентябрь 2013 г.). «Производство водорода с помощью твердых электролитических маршрутов». Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment . 2 (5): 473–487. Bibcode : 2013WIREE...2..473B. doi : 10.1002/wene.50. S2CID  135539661.
  93. ^ Badwal, Sukhvinder PS; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, ​​Anthony F. (24 сентября 2014 г.). "Развивающиеся электрохимические технологии преобразования и хранения энергии (открытый доступ)". Frontiers in Chemistry . 2 : 79. Bibcode : 2014FrCh....2...79B. doi : 10.3389/fchem.2014.00079 . PMC 4174133. PMID  25309898. 

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Электролиз воды .

6.Моделирование и интеграция использования диоксида углерода с использованием зеленого водорода для производства углеводородов [1]