stringtranslate.com

Electrolysis of water

Simple setup for demonstration of electrolysis of water at home
An AA battery in a glass of tap water with salt showing hydrogen produced at the negative terminal

Electrolysis of water is using electricity to split water into oxygen (O
2) and hydrogen (H
2) gas by electrolysis. Hydrogen gas released in this way can be used as hydrogen fuel, but must be kept apart from the oxygen as the mixture would be extremely explosive. Separately pressurised into convenient 'tanks' or 'gas bottles', hydrogen can be used for oxyhydrogen welding and other applications, as the hydrogen / oxygen flame can reach approximately 2,800°C.

Water electrolysis requires a minimum potential difference of 1.23 volts, although at that voltage external heat is also required. Typically 1.5 volts is required. Electrolysis is rare in industrial applications since hydrogen can be produced less expensively from fossil fuels.[1]

History

Device invented by Johann Wilhelm Ritter to develop the electrolysis of water

In 1789, Jan Rudolph Deiman and Adriaan Paets van Troostwijk used an electrostatic machine to make electricity that was discharged on gold electrodes in a Leyden jar.[2] In 1800 Alessandro Volta invented the voltaic pile, while a few weeks later English scientists William Nicholson and Anthony Carlisle used it to electrolyse water. In 1806 Humphry Davy reported the results of extensive distilled water electrolysis experiments, concluding that nitric acid was produced at the anode from dissolved atmospheric nitrogen. He used a high voltage battery and non-reactive electrodes and vessels such as gold electrode cones that doubled as vessels bridged by damp asbestos.[3] Zénobe Gramme invented the Gramme machine in 1869, making electrolysis a cheap method for hydrogen production. A method of industrial synthesis of hydrogen and oxygen through electrolysis was developed by Dmitry Lachinov in 1888.[4]

Principles

Источник электроэнергии постоянного тока подключается к двум электродам или двум пластинам (обычно изготовленным из инертного металла, такого как платина или иридий ), которые помещаются в воду. Водород появляется у катода (где электроны попадают в воду), а кислород — у анода . [5] Если предположить идеальный фарадеевский КПД , количество образующегося водорода в два раза превышает количество кислорода, и оба пропорциональны общему электрическому заряду, проводимому раствором. [6] Однако во многих клетках происходят конкурирующие побочные реакции , приводящие к образованию дополнительных продуктов и снижению фарадеевской эффективности. [ нужна цитата ]

Электролиз чистой воды требует избыточной энергии в виде перенапряжения для преодоления различных активационных барьеров. Без избыточной энергии электролиз происходит медленно или не происходит вообще. Частично это связано с ограниченной самоионизацией воды .

Чистая вода имеет электропроводность примерно в одну миллионную электропроводность морской воды. [ нужна цитата ]

Во многих электролизерах отсутствуют необходимые электрокатализаторы . [ нужна цитация ] Эффективность увеличивается 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 - ) от катода отдаются катионам водорода с образованием газообразного водорода. На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления , в результате которой образуется газообразный кислород и отдаются электроны на анод для замыкания цепи.

Две полуреакции – восстановление и окисление – соединяются, образуя сбалансированную систему. Чтобы сбалансировать каждую полуреакцию, вода должна быть кислой или основной. В присутствии кислоты уравнения имеют вид:

При наличии основания уравнения имеют вид:

Объединение любой пары полуреакций приводит к одинаковому общему разложению воды на кислород и водород:

2 ЧАС 2 О( л ) → 2 ЧАС 2 ( г ) + О 2 ( г )

Таким образом, количество образующихся молекул водорода в два раза превышает количество молекул кислорода, что соответствует тому факту, 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 обоих газов равны, объем пропорционален молям , поэтому образуется вдвое больший объем газообразного водорода, чем газообразного кислорода. Число электронов, проталкиваемых через воду, в два раза превышает количество образующихся молекул водорода и в четыре раза превышает количество образующихся молекул кислорода.

Термодинамика

Диаграмма Пурбе для воды, включая области равновесия воды, кислорода и водорода при СТП. Вертикальная шкала представляет собой электродный потенциал водорода или невзаимодействующего электрода относительно СТЭ - электрода, горизонтальная шкала представляет собой pH электролита (в противном случае невзаимодействующего). Если пренебречь перенапряжением , то выше верхней линии состояние равновесия представляет собой газообразный кислород, и кислород будет пузыриться из электрода до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Аналогичным образом, ниже нижней линии условием равновесия является газообразный водород, и водород будет пузыриться из 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 электролизера воды (E o ячейка = E o катод - E o анод ) составляет -1,229 В при 25 °C и pH 0 ([H + ] = 1,0 М). При 25 °C и pH 7 ([H + ] = 1,0 × 10 -7 M) потенциал не изменяется согласно уравнению 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 — константа Фарадея , т.е. 96 485,3321233 Кл/ мол). Для двух молекул воды, подвергшихся электролизу и, следовательно, образовавшихся двух молекул водорода, n = 4, и

Однако расчеты равновесных потенциалов отдельных электродов требуют поправок для учета коэффициентов активности. [7] На практике, когда электрохимическая ячейка «доводится» до завершения путем приложения разумного потенциала, она контролируется кинетически. Следовательно, энергия активации , подвижность ионов (диффузия) и концентрация, сопротивление проволоки, поверхностные препятствия, включая образование пузырьков (блокирует площадь электрода), и энтропия требуют большего потенциала для преодоления. Величина увеличения необходимого потенциала называется сверхпотенциалом .

Электролит

Вольтаметр Хофмана , подключенный к источнику постоянного тока.

Электролиз в чистой воде потребляет/восстанавливает катионы H + на катоде и поглощает/окисляет анионы гидроксида (OH - ) на аноде. В этом можно убедиться, добавив в воду индикатор pH : вода возле катода является основной, а вода возле анода — кислой. Гидроксиды OH − , приближающиеся к аноду, в основном соединяются с положительными ионами гидроксония (H 3 O + ), образуя воду. Положительные ионы гидроксония, приближающиеся 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, подобную полупроводникам [8] [ нужна страница ] , поскольку она имеет низкую автоионизацию , K w = 1,0×10 -14 при комнатной температуре и, следовательно, чистая вода плохо проводит ток, 0,055 мкСм·см -1 . [9] Если для увеличения автоионизации воды не применяется большой потенциал, электролиз чистой воды протекает медленно, ограниченный общей проводимостью.

Водный электролит может значительно повысить проводимость. Электролит диссоциирует на катионы и анионы; анионы устремляются к аноду и нейтрализуют накопление там положительно заряженного Н + ; аналогичным образом катионы устремляются к катоду и нейтрализуют накопление там отрицательно заряженного OH − . Это обеспечивает непрерывный поток электроэнергии. [10]

Анионы электролита конкурируют с ионами гидроксида, отдавая электрон . Анион электролита с меньшим стандартным электродным потенциалом , чем у гидроксида, будет окисляться вместо гидроксида, не образуя газообразного кислорода. Аналогично, катион с более высоким 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 + , Ba2 + , Sr2 + , Ca2 + , Na + и Mg2 +. . Натрий и калий являются распространенным выбором, [11] поскольку они образуют недорогие растворимые соли.

Если в качестве электролита используется кислота , то катионом является H + , и при диссоциации воды конкурента H + не образуется. Наиболее часто используемый анион - сульфат ( SO2−
4), так как он трудно окисляется. Стандартный потенциал окисления этого иона до пероксидисульфат- иона составляет +2,010 вольт. [12]

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

Можно использовать твердый полимерный электролит, такой как нафион , и при нанесении соответствующего катализатора на каждую сторону мембраны он может эффективно проводить электролиз при напряжении всего 1,5 вольт. В некоторых коммерческих системах электролиза используются твердые электролиты. [13]

Чистая вода

Безэлектролитный электролиз чистой воды был достигнут с помощью электрохимических ячеек с нанощелями с глубокой субдебаевской длиной . Когда зазор между катодом и анодом меньше длины Дебая (1 микрон в чистой воде, около 220 нм в дистиллированной воде), области двойного слоя двух электродов могут перекрываться, что приводит к равномерному сильному электрическому полю, распределенному по всему зазору. . Такое сильное электрическое поле может значительно усилить транспорт ионов (в основном за счет миграции), еще больше усиливая самоионизацию , продолжая реакцию и демонстрируя небольшое сопротивление между двумя электродами. В этом случае две полуреакции связаны и лимитируются стадиями переноса электрона (ток электролиза насыщается на более коротких расстояниях между электродами). [14]

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−
). [15] [16] Было разработано несколько методов электролиза необработанной морской воды. Типичные электролизеры с протонообменной мембраной (PEM) требуют опреснения.

Косвенный электролиз морской воды включает в себя два этапа: опреснение морской воды с помощью устройства предварительной обработки и последующее производство водорода посредством традиционного электролиза воды. Этот метод повышает эффективность, уменьшает коррозию и продлевает срок службы катализатора. [17] 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, связанных с опреснением. [18] [19]

Однако установки непрямого электролиза морской воды требуют больше места, энергии и обслуживания, и некоторые полагают, что чистота воды, достигаемая с помощью обратного осмоса морской воды (SWRO), может быть недостаточной, что требует дополнительного оборудования и затрат. [17] Напротив, прямой электролиз морской воды пропускает этап предварительной обработки и вводит морскую воду непосредственно в электролизер для производства водорода. Этот подход считается более многообещающим из-за ограниченных ресурсов пресной воды, необходимости уделять первоочередное внимание основным потребностям человека и возможности снизить потребление энергии и затраты. [19] [20] [21] Мембраны имеют решающее значение для эффективности электролиза, но на них могут негативно влиять посторонние ионы в морской воде, сокращающие срок их службы и снижающие эффективность процесса электролиза. [22]

Один из подходов включает в себя сочетание мембран прямого осмоса с разделением воды для непрерывного производства водорода из источников загрязненной воды. Расщепление воды создает градиент концентрации, уравновешиваемый притоком воды посредством прямого осмоса, что позволяет непрерывно извлекать чистую воду. Однако эта конфигурация имеет такие проблемы, как возможность прохождения ионов Cl через мембрану и повреждения, а также риск смешивания водорода и кислорода без сепаратора. [23]

Для решения этих проблем между электродами была установлена ​​недорогая полупроницаемая мембрана для разделения образующихся газов, что позволило снизить стоимость мембраны и свести к минимуму окисление Cl. Кроме того, исследования показывают, что использование материалов на основе переходных металлов может эффективно поддерживать электролиз воды. [24] В некоторых исследованиях изучалось использование недорогих мембран обратного осмоса (<10 долларов США/м 2 ) для замены дорогих ионообменных мембран (500-1000 долларов США/м 2 ). Использование обратноосмотических мембран становится экономически привлекательным в системах электролиза воды по сравнению с ионообменными мембранами из-за их экономической эффективности и высокой селективности протонов, которую они обеспечивают по отношению к катионным солям, особенно при использовании электролитов высокой концентрации. [25]

Альтернативный метод включает использование гидрофобной мембраны для предотвращения попадания ионов в стопку клеток. Этот метод сочетает в себе гидрофобную пористую водонепроницаемую дышащую мембрану из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с самоувлажняющимся электролитом, используя раствор гигроскопической серной кислоты с коммерческим щелочным электролизером для получения газообразного водорода из морской воды. В более крупном масштабе эта система электролиза морской воды может стабильно производить 386 л H 2 в час в течение более 3200 часов, не подвергаясь значительной коррозии катализатора или смачиванию мембраны. В этом процессе используется разница в давлении водяного пара между морской водой и самоувлажняющимся электролитом, что приводит к испарению морской воды и диффузии водяного пара с последующим сжижением адсорбированного водяного пара на самоувлажняющемся электролите. [26] [17]

Техники

По состоянию на 2022 год коммерческому электролизу потребуется около 53 кВтч электроэнергии для производства одного кг водорода, что содержит 39,4 кВтч ( HHV ) энергии. [27]

Фундаментальная демонстрация

Два провода , идущие от клемм батареи, помещенные в чашку с водой с некоторым количеством электролита, устанавливают проводимость. Использование NaCl (соли) в растворе электролита дает газообразный хлор , а не кислород из-за конкурирующей полуреакции . Бикарбонат натрия (пищевая сода) вместо этого выделяет водород и углекислый газ до тех пор, пока бикарбонат-анион остается в растворе.

Испытание на совпадение, используемое для обнаружения присутствия газообразного водорода.

Вольтаметр Гофмана

Вольтаметр Гофмана представляет собой небольшой электролитический элемент. Он состоит из трех соединённых вертикальных цилиндров. Внутренний цилиндр открыт сверху, что позволяет добавлять воду и электролит. Платиновый электрод (пластинчатый или сотовый) помещается внизу каждого из двух боковых цилиндров, соединенных с клеммами источника электричества . Образующиеся газы вытесняют воду и собираются в верхней части двух внешних трубок, откуда ее можно отвести с помощью запорного крана .

Высокое давление

Электролиз под высоким давлением предполагает выход сжатого водорода около 12–20 МПа (120–200 бар , 1740–2900 фунтов на квадратный дюйм ). [28] За счет повышения давления водорода в электролизере необходимость во внешнем компрессоре водорода устраняется. Среднее потребление энергии составляет около 3%. [29]

Высокая температура

Теоретическая эффективность разделения термальной воды. [30]
КПД 60% при 1000° C.
Паровая конверсия углеводородов в водород имеет эффективность 70-85% [31]

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз) более эффективен при более высоких температурах. Тепловой двигатель поставляет часть энергии, которая обычно дешевле электричества [32] [33]

Электролиз щелочной воды

Щелочной электролиз воды — это тип электролизера , который характеризуется наличием двух электродов , работающих в жидком щелочном электролите. Обычно используют раствор гидроксида калия (KOH) или гидроксида натрия (NaOH) в концентрации 25–40 мас.%. [34] Эти электроды разделены диафрагмой, которая отделяет образующиеся газы и транспортирует ионы гидроксида (OH - ) от одного электрода к другому. [35] [36] Недавнее сравнение показало, что современные водные электролизеры на основе никеля с щелочными электролитами обеспечивают конкурентоспособную или даже лучшую эффективность, чем мембранный электролиз воды с кислым полимерным электролитом с электрокатализаторами на основе металлов платиновой группы. [37]

Эта технология имеет долгую историю в химической промышленности. Первая крупномасштабная потребность в водороде возникла в конце 19 века для самолетов легче воздуха , и до появления парового реформинга в 1930-х годах этот метод был конкурентоспособным.

Протонообменная мембрана

Электролизер с протонообменной мембраной разделяет реагенты и транспортирует протоны, блокируя при этом прямой путь электронов через мембрану. В топливных элементах PEM используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластиковая пленка), которая проницаема для ионов водорода ( протонов ) при насыщении водой, но не проводит электроны.

В нем используется протонообменная мембрана, или полимерно-электролитная мембрана (ПЭМ), которая представляет собой полупроницаемую мембрану , обычно изготовленную из иономеров и предназначенную для проведения протонов , одновременно действуя в качестве изолятора и барьера для реагентов, например, для кислорода и газообразного водорода. [38] В топливных элементах PEM используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластиковая пленка), которая проницаема для протонов при насыщении водой, но не проводит электроны. Протонообменные мембраны характеризуются, прежде всего, протонной проводимостью (σ), метанольной проницаемостью ( P ) и термической стабильностью. [39]

ПЭМ могут быть изготовлены как из чистого полимера , так и из композитных мембран, в которых другие материалы внедрены в полимерную матрицу. Одним из наиболее распространенных коммерчески доступных материалов является фторполимер (ПФСА) [40] Нафион . [41] Нафион представляет собой иономер с перфторированной основной цепью, такой как тефлон . [42] Многие другие структурные мотивы используются для изготовления иономеров для протонообменных мембран. Многие используют полиароматические полимеры, тогда как другие используют частично фторированные полимеры.

Анионообменная мембрана

В анионообменном мембранном электролизе используется анионообменная мембрана (АЕМ) для разделения продуктов, обеспечения электрической изоляции между электродами и облегчения ионной проводимости. В отличие от электролиза PEM, электролиз AEM обеспечивает проводимость гидроксид-ионов. Примечательным преимуществом электролиза воды на основе АЭМ является устранение необходимости в дорогих катализаторах на основе благородных металлов, поскольку вместо них можно использовать экономичные катализаторы на основе переходных металлов. [43] [44]

Сверхкритическая вода

Электролиз сверхкритической воды (SWE) использует воду в сверхкритическом состоянии. Сверхкритическая вода требует меньше энергии, что снижает затраты. Он работает при температуре >375 °C, что снижает термодинамические барьеры и увеличивает кинетику, улучшая ионную проводимость по жидкой или газообразной воде, что снижает омические потери. Преимущества включают повышенный электрический КПД, подачу продуктовых газов под давлением >221 бар, способность работать при высоких плотностях тока и низкую зависимость от катализаторов из драгоценных металлов. По состоянию на 2021 год коммерческое оборудование SWE не было доступно. [45]

Никель/железо

В 2014 году исследователи объявили об электролизе с использованием катализаторов из никеля и железа, а не из драгоценных металлов. Структура никель-металл/никель-оксид более активна, чем сам по себе металлический никель или оксид никеля. Катализатор существенно снижает необходимое напряжение . [46] [47] Никель-железные батареи исследуются на предмет использования в качестве комбинированных батарей и электролизеров. Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать, как обычные батареи, и при полной зарядке они будут производить водород. [48]

В 2023 году исследователи из Австралии объявили об использовании пористого листа никель-молибден-фосфидного катализатора, легированного азотом. Легирование азотом увеличивает проводимость и оптимизирует электронную плотность и химию поверхности. Это создает дополнительные каталитические центры. Азот связывается с поверхностными металлами и обладает электроотрицательными свойствами, которые помогают исключить нежелательные ионы и молекулы, в то время как поверхностные ионы фосфатов, сульфатов, нитратов и гидроксилов блокируют хлор и предотвращают коррозию. 10 мА/см2 можно получить при напряжении 1,52 и 1,55 В. в щелочном электролите и морской воде соответственно. [49]

Электрохимические ячейки с нанощелями

В 2017 году исследователи сообщили об электрохимических ячейках с нанозазорами , которые обеспечивают высокоэффективный безэлектролитный электролиз чистой воды при температуре окружающей среды. В этих ячейках два электрода расположены настолько близко друг к другу (меньше, чем длина Дебая ), что скорость массопереноса может быть выше, чем скорость переноса электрона, что приводит к двум полуреакциям, связанным друг с другом и ограниченным процессом переноса электронов. шаг. Эксперименты показывают, что плотность электрического тока может быть больше, чем у 1 моль/л раствора гидроксида натрия. Его «механизм виртуального пробоя» полностью отличается от традиционной электрохимической теории из-за таких эффектов размера нанозазора. [14]

Капиллярное питание

Утверждается, что электролизеру с капиллярным питанием требуется всего 41,5 кВтч для производства 1 кг водорода. Водный электролит изолирован от электродов пористым гидрофильным сепаратором. Вода втягивается в электролизер под действием капиллярности, а электролизированные 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 ). В конструкции отсутствует циркуляция воды, баки-сепараторы и другие механизмы, и она может охлаждаться воздухом или радиацией. [27] [50]

Приложения

Около пяти процентов газообразного водорода, производимого во всем мире, создается путем электролиза. Подавляющее большинство современного промышленного производства водорода производится из природного газа в процессе парового риформинга или в результате частичного окисления угля или тяжелых углеводородов. Большая часть водорода , получаемого посредством электролиза, является побочным продуктом при производстве хлора и каустической соды . Это яркий пример борьбы за побочную реакцию .

2NaCl + 2H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2NaOH

В хлорщелочном процессе (электролиз рассола) смесь воды и хлорида натрия представляет собой лишь половину электролиза воды, поскольку ионы хлорида окисляются до хлора , а не вода окисляется до кислорода. С термодинамической точки зрения этого нельзя было бы ожидать, поскольку окислительный потенциал хлорид-иона меньше, чем у воды, но скорость реакции хлорида намного больше, чем у воды, что приводит к его преобладанию. Водород, полученный в результате этого процесса, либо сжигается (превращается обратно в воду), либо используется для производства специальных химикатов или для различных других мелкомасштабных применений.

Электролиз воды также используется для производства кислорода на Международной космической станции . [51] [52]

Многие промышленные электролизеры похожи на вольтаметры Гофмана с платиновыми пластинами или сотами в качестве электродов. Обычно водород производят для применения в местах использования, например, в кислородно-водородных горелках, или когда требуется водород или кислород высокой чистоты . Подавляющее большинство водорода производится из углеводородов и, как следствие, среди других примесей содержит следовые количества окиси углерода . Примесь угарного газа может нанести вред различным системам, включая многие топливные элементы .

Поскольку электролизеры могут быть сокращены, в будущем их можно будет использовать для устранения несоответствия спроса на электроэнергию. [53]

Эффективность

Промышленная продукция

Иллюстрирование затрат и результатов простого электролиза воды для производства водорода.

КПД современных генераторов водорода измеряется энергией, потребляемой на стандартный объем водорода (МДж/м 3 ), при условии стандартных температуры и давления H 2 . Чем меньше энергии потребляет генератор, тем выше будет его эффективность; электролизер со 100% эффективностью будет потреблять 39,4 киловатт-часов на килограмм (142 МДж/кг) (высшая теплота сгорания) водорода , [ 54] 12749 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. [55] Добавление внешнего тепла при температуре 150 °C (302 °F) позволяет снизить потребление электроэнергии. [56]

Поставщики электролизеров указывают эффективность на основе энтальпии . Для оценки заявленной эффективности электролизера важно установить, как она определена производителем (т.е. какое значение энтальпии, какая плотность тока и т.п.).

На рынке доступны три основные технологии: щелочные электролизеры , твердооксидные электролизеры и электролизеры с протонообменной мембраной (ПЭМ). Щелочные электролизеры дешевле с точки зрения инвестиций (в них обычно используются никелевые катализаторы), но наименее эффективны. Электролизеры PEM более дороги (в них обычно используются дорогие катализаторы из металлов платиновой группы), но они более эффективны и могут работать при более высоких плотностях тока и, следовательно, могут быть дешевле, если производство водорода достаточно велико. Твердооксидные электролизеры (SOEC) являются третьим наиболее распространенным типом электролиза, в котором для повышения эффективности используются высокие рабочие температуры. Теоретический электрический КПД SOEC близок к 100% при производстве водорода 90%. [57] Деградация системы с течением времени не влияет на эффективность электролизеров SOEC изначально в отличие от PEM и щелочных электролизеров. По мере деградации системы SOEC напряжение элемента увеличивается, естественным образом выделяя больше тепла в системе. Благодаря этому для поддержания температуры системы требуется меньше энергии, что на начальном этапе компенсирует потери энергии из-за резкого ухудшения состояния. [58]

Обычный щелочной электролиз имеет эффективность около 70%. [59] С учетом принятого использования более высокой теплотворной способности (поскольку неэффективность за счет тепла может быть перенаправлена ​​обратно в систему для создания пара, необходимого для катализатора), средний рабочий КПД для электролиза PEM составляет около 80%. [60] [61] Ожидается, что к 2030 году этот показатель увеличится до 82–86% [62]. Теоретическая эффективность электролизеров PEM прогнозируется до 94%. [63]

Себестоимость добычи H 2 ($-gge без налога) при различных ценах на природный газ

Учитывая промышленное производство водорода и использование лучших на данный момент процессов электролиза воды (ПЭМ или щелочной электролиз), которые имеют эффективный электрический КПД 70–80%, [63] [64] [65] производят 1 кг водорода (который имеет удельная энергия 143 МДж/кг) требует 50–55 кВт⋅ч (180–200 МДж) электроэнергии. При стоимости электроэнергии 0,06 доллара США/кВт·ч, как указано в целевых показателях Министерства энергетики США по производству водорода на 2015 год [66] , стоимость водорода составляет 3 доллара США/кг. Стоимость оборудования зависит от серийности производства. По состоянию на 2022 год разные аналитики прогнозируют годовой объем производства оборудования к 2030 году на уровне 47 ГВт, 104 ГВт и 180 ГВт соответственно. [67]

Учитывая диапазон цен на природный газ с 2016 года, как показано на графике (Дорожная карта технической группы по производству водорода, ноябрь 2017 г.), где стоимость водорода парового риформинга метана (SMR) составляет от 1,20 до 1,50 доллара США, себестоимость водорода посредством электролиза по-прежнему вдвое превышает целевые цены Министерства энергетики США на водород на 2015 год. Целевая цена Министерства энергетики США на водород в 2020 году составляет 2,30 доллара США/кг, что требует стоимости электроэнергии в размере 0,037 доллара США/кВт·ч, что достижимо, учитывая тендеры PPA 2018 года [68] для ветровой и солнечной энергии во многих регионах. Это делает цель заправки H 2 в эквиваленте 4 долларов США/галлон бензина (gge) вполне досягаемой и близкой к слегка завышенной себестоимости добычи природного газа для SMR.

В других частях мира цена водорода SMR составляет в среднем 1–3 доллара за кг. Это уже делает производство водорода посредством электролиза конкурентоспособным по стоимости во многих регионах, как отметили Нел Гидроген [69] и другие, включая статью МЭА [70] , в которой изучаются условия, которые могут привести к конкурентному преимуществу электролиза. Значительный рост цен на газ во время глобального энергетического кризиса 2021–2022 годов сделал электролиз водорода экономически выгодным в некоторых частях мира. [71]

Некоторые крупные промышленные электролизеры работают на мощности в несколько мегаватт. По состоянию на 2022 год крупнейшей является щелочная установка мощностью 150 МВт в Нинся, Китай, мощностью до 23 000 тонн в год. [72] В то время как западное электролизное оборудование с более высоким КПД может стоить 1200 долларов США/кВт, китайское оборудование с более низким КПД может стоить 300 долларов США/кВт, но с меньшим сроком службы — 60 000 часов. [73]

Перенапряжение

Настоящие электролизеры воды требуют более высокого напряжения для протекания реакции. Часть, превышающая 1,23 В [74] , называется перенапряжением или перенапряжением и представляет собой любые потери и неидеальность в электрохимическом процессе.

Для хорошо спроектированного элемента наибольшее перенапряжение — это перенапряжение реакции четырехэлектронного окисления воды до кислорода на аноде; электрокатализаторы могут облегчить эту реакцию, а платиновые сплавы являются современным оборудованием для этого окисления. Разработка дешевого и эффективного электрокатализатора для этой реакции была бы большим достижением и является темой текущих исследований; существует множество подходов, среди них 30-летний рецепт сульфида молибдена , [75] графеновые квантовые точки , [76] углеродные нанотрубки , [47] перовскит , [77] и никель/оксид никеля. [78] [79] Фосфид тримолибдена (Mo3P) недавно был обнаружен как перспективный недрагоценный металл и богатый землёй кандидат с выдающимися каталитическими свойствами, который можно использовать в электрокаталитических процессах. Каталитические характеристики наночастиц Mo3P проверены в реакции выделения водорода (HER), что указывает на начальный потенциал всего 21 мВ, скорость образования H2 и плотность тока обмена 214,7 мкмоль с-1 г-1 кат (всего при 100 перенапряжение мВ) и 279,07 мкА см-2 соответственно, что является одним из наиболее близких значений, наблюдавшихся до сих пор, к платине. [80] [81] Более простая двухэлектронная реакция с образованием водорода на катоде может быть электрокатализирована практически без перенапряжения платиной или теоретически ферментом гидрогеназы . Если для катода использовать 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. Для преодоления изменения энтропии реакции также требуется энергия. Следовательно, процесс не может протекать при энергии ниже 286 кДж на моль, если не добавляется внешнее тепло/энергия.

Поскольку на каждый моль воды требуется два моля электронов и учитывая, что константа Фарадея F представляет заряд моля электронов (96485 Кл/моль), из этого следует, что минимальное напряжение, необходимое для электролиза, составляет около 1,23 В. [82] Если электролиз проводится при высокой температуре, это напряжение снижается. Это эффективно позволяет электролизёру работать с электрическим КПД более 100%. В электрохимических системах это означает, что для поддержания реакции в реактор необходимо подавать тепло. Таким образом, тепловая энергия может быть частично использована для удовлетворения энергетических потребностей электролиза. [83] Аналогичным образом необходимое напряжение можно снизить (ниже 1 В), если топливо (например, углерод, спирт, биомасса) вступает в реакцию 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 «поддержки» процесса электролиза и может снизить общую стоимость производимого водорода. [84]

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

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 необходимо передать, чтобы продукты реакции находились при одинаковой температуре. в качестве реагента (т.е. стандартная температура для значений, приведенных выше). Потенциально электролизер, работающий при напряжении 1,48 В, будет работать изотермически при температуре 25°C, поскольку подаваемая электрическая энергия будет равна энтальпии (теплоте) разложения воды, а для этого потребуется на 20% больше электрической энергии, чем минимально.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Основы водорода — производство». Центр солнечной энергии Флориды. 2007. Архивировано из оригинала 18 февраля 2008 года . Проверено 5 февраля 2008 г.
  2. ^ Леви, Р. де (октябрь 1999 г.). «Электролиз воды». Журнал электроаналитической химии . 476 (1): 92–93. дои : 10.1016/S0022-0728(99)00365-4.
  3. ^ Дэви, Джон, изд. (1839). «О некоторых химических средствах электричества». Собрание сочинений сэра Хамфри Дэви . Том. 5. стр. 1–12.
  4. ^ "Лачинов Дмитрий Александрович". Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия . Архивировано из оригинала 26 июля 2011 года.
  5. ^ Зумдал, Стивен С.; Зумдал, Сьюзан А. (1 января 2013 г.). Химия (9-е изд.). Cengage Обучение . п. 30. ISBN 978-1-13-361109-7.
  6. ^ Кармо, М; Фриц Д; Мергель Дж; Столтен Д. (2013). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  7. ^ Колли, АН; и другие. (2019). «Недрагоценные электроды для практического электролиза щелочной воды». Материалы . 12 (8): 1336. Бибкод : 2019Mate...12.1336C. дои : 10.3390/ma12081336 . ПМК 6515460 . ПМИД  31022944. 
  8. ^ Фуллер, CS (1959). «Взаимодействие дефектов в полупроводниках». В Ханне, Нью-Йорк (ред.). Полупроводники . Нью-Йорк: Рейнхольд. стр. 192–221.
  9. ^ Лайт, Трумэн С.; Лихт, Стюарт; Бевилаква, Энтони К.; Мораш, Кеннет Р. (1 января 2005 г.). «Фундаментальная проводимость и удельное сопротивление воды». Электрохимические и твердотельные буквы . 8 (1): Е16–Е19. дои : 10.1149/1.1836121. ISSN  1099-0062. S2CID  54511887.
  10. ^ ПОЛИНГ, ЛИНУС (1953). «Раздел 15-2». Общая химия (2-е изд.).
  11. ^ Шатене, Мэриан; Поллет, Бруно Г.; Декель, Дарио Р.; Диониджи, Фабио; Десер, Джонатан; Милле, Пьер; Браатц, Ричард Д.; Базант, Мартин З.; Эйкерлинг, Майкл; Стаффелл, Иэн; Балкомб, Пол; Шао-Хорн, Ян; Шефер, Хельмут (2022). «Электролиз воды: от хрестоматийных знаний до новейших научных стратегий и промышленных разработок». Обзоры химического общества . 51 (11): 4583–4762. дои : 10.1039/d0cs01079k. ПМЦ 9332215 . ПМИД  35575644. 
  12. ^ Хейнс, Уильям М. (2012). CRC справочник по химии и физике: готовый справочник химических и физических данных (93-е изд., 2012-2013 гг.). Бока-Ратон, Флорида: CRC. ISBN 9781439880494. OCLC  793213751.
  13. ^ Бадвал, СПС; Гидди С; Маннингс С. (2012). «Производство водорода твердоэлектролитическими путями» . ПРОВОДА Энергетика и окружающая среда . 2 (5): 473–487. Бибкод : 2013WIREE...2..473B. дои : 10.1002/wene.50. S2CID  135539661. Архивировано из оригинала 2 июня 2013 года . Проверено 23 января 2013 г.
  14. ^ Аб Ван, Ифэй; Нарайанан, СР; Ву, Вэй (11 июля 2017 г.). «Полевое расщепление чистой воды на основе электрохимических ячеек с нанощелями с глубокой субдебаевской длиной». АСУ Нано . 11 (8): 8421–8428. doi : 10.1021/acsnano.7b04038. ISSN  1936-0851. ПМИД  28686412.
  15. ^ Куанг, Юн; Кенни, Майкл Дж.; Мэн, Юнтао; Хун, Вэй-Сюань; Лю, Ицзинь; Хуан, Цзянань Эрик; Прасанна, Рохит; Ли, Пэнсун; Ли, Япин; Ван, Лей; Линь, Мэн-Чанг; МакГи, Майкл Д .; Сунь, Сяомин; Дай, Хунцзе (2 апреля 2019 г.). «Высокоустойчивое расщепление морской воды на водород и кислород, вызванное солнечной энергией». Труды Национальной академии наук . 116 (14): 6624–6629. Бибкод : 2019PNAS..116.6624K. дои : 10.1073/pnas.1900556116 . ПМЦ 6452679 . ПМИД  30886092. 
  16. ^ Дресп, Сорен; Диониджи, Фабио; Клингенхоф, Мальта; Штрассер, Питер (12 апреля 2019 г.). «Прямое электролитическое расщепление морской воды: возможности и проблемы». Энергетические письма ACS . 4 (4): 933–942. doi : 10.1021/acsenergylett.9b00220. S2CID  189716726.
  17. ^ 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.
  18. ^ 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 .
  19. ^ аб Хаусманн, Дж. Никлас; Шлёгль, Роберт; Менезес, Прашант В.; Дрисс, Матиас (2021). «Является ли прямое разделение морской воды экономически значимым?». Энергетика и экология . 14 (7): 3679–3685. дои : 10.1039/D0EE03659E .
  20. ^ Фаррас, По; Штрассер, Питер; Коуэн, Александр Дж. (август 2021 г.). «Электролиз воды: прямо из моря или не быть?». Джоуль . 5 (8): 1921–1923. дои : 10.1016/j.joule.2021.07.014 .
  21. ^ Марил, Марисоль; Дельпланке, Жан-Люк; Цистернас, Наталья; Тобоске, Пабло; Мариль, Ясмин; Карраско, Клаудия (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.
  22. ^ Пин, Цинъюнь; Коэн, Барак; Досорец, Карлос; Хэ, Чжэнь (сентябрь 2013 г.). «Длительное исследование загрязнения катионообменных и анионообменных мембран в микробных опреснительных камерах». Опреснение . 325 : 48–55. doi :10.1016/j.desal.2013.06.025.
  23. ^ Вероно, Сэмюэл С.; Ночера, Дэниел Г. (2 марта 2021 г.). «Непрерывное электрохимическое расщепление воды из природных источников посредством прямого осмоса». Труды Национальной академии наук . 118 (9): e2024855118. Бибкод : 2021PNAS..11824855V. дои : 10.1073/pnas.2024855118 . ПМЦ 7936378 . ПМИД  33619109. 
  24. ^ Вероно, Сэмюэл С.; Хартнетт, Алайна С.; Тораринсдоттир, Агнес Э.; Ночера, Дэниел Г. (28 февраля 2022 г.). «Прямое расщепление морской воды прямым осмосом в сочетании с электролизом воды». ACS Прикладные энергетические материалы . 5 (2): 1403–1408. doi : 10.1021/acsaem.1c03998. S2CID  246661386.
  25. ^ Ши, Ле; Росси, Руджеро; Сын, Луна; Холл, Дерек М.; Хикнер, Майкл А.; Горски, Кристофер А.; Логан, Брюс Э. (2020). «Использование мембран обратного осмоса для контроля транспорта ионов во время электролиза воды». Энергетика и экология . 13 (9): 3138–3148. дои : 10.1039/d0ee02173c. S2CID  224980142.
  26. ^ 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.
  27. ↑ Аб Блейн, Лоз (16 марта 2022 г.). «Рекордный водородный электролизер имеет эффективность 95%». Новый Атлас . Архивировано из оригинала 25 декабря 2022 года . Проверено 25 декабря 2022 г.
  28. ^ «2001-Электролиз под высоким давлением – ключевая технология для эффективного H.2» (PDF) .
  29. ^ Гош, ПК; Эмонтс, Б; Янсен, Х; Мергель, Дж; Столтен, Д. (2003). «Десять лет опыта работы с системой энергоснабжения из возобновляемых источников энергии на основе водорода» (PDF) . Солнечная энергия . 75 (6): 469–478. Бибкод : 2003SoEn...75..469G. doi : 10.1016/j.solener.2003.09.006. Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2009 года.
  30. ^ https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/sti/sti/4480292.pdf .
  31. ^ Каламарас, Христос М.; Эфстатиу, Ангелос М. (6 июня 2013 г.). «Технологии производства водорода: современное состояние и перспективы развития». Материалы конференций по науке . 2013 : e690627. дои : 10.1155/2013/690627 .
  32. ^ «Высокотемпературный электролиз с использованием SOEC». Привет2h2. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 5 мая 2016 г.
  33. ^ «WELTEMPЭлектролиз воды при повышенных температурах» . Weltemp.eu. 31 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 5 мая 2016 г.
  34. ^ Шатене, Мэриан; Поллет, Бруно Г.; Декель, Дарио Р.; Диониджи, Фабио; Десер, Джонатан; Милле, Пьер; Браатц, Ричард Д.; Базант, Мартин З.; Эйкерлинг, Майкл; Стаффелл, Иэн; Балкомб, Пол; Шао-Хорн, Ян; Шефер, Хельмут (2022). «Электролиз воды: от хрестоматийных знаний до новейших научных стратегий и промышленных разработок». Обзоры химического общества . 51 (11): 4583–4762. дои : 10.1039/d0cs01079k. ПМЦ 9332215 . ПМИД  35575644. 
  35. ^ Кармо, М; Фриц Д; Мергель Дж; Столтен Д. (2013). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  36. ^ «Электролиз щелочной воды» (PDF) . Энергоносители и системы преобразования . Проверено 19 октября 2014 г.
  37. ^ Шаленбах, М; Тьяркс Г; Кармо М; Люке В; Мюллер М; Столтен Д. (2016). «Кислотная или щелочная? К новому взгляду на эффективность электролиза воды». Журнал Электрохимического общества . 163 (11): F3197. дои : 10.1149/2.0271611jes . S2CID  35846371.
  38. ^ Альтернативные электрохимические системы для озонирования воды. NASA Tech Briefs (Технический отчет). НАСА . 20 марта 2007 г. MSC-23045 . Проверено 17 января 2015 г.
  39. ^ Нахия Гулборн. «Темы исследований материалов и процессов для топливных элементов PEM РЭУ на 2008 год». Вирджинский технологический институт . Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года . Проверено 18 июля 2008 г.
  40. ^ Живэй Ян; и другие. (2004). «Новые неорганические/органические гибридные электролитные мембраны» (PDF) . Препр. Пап.-Ам. хим. соц., отд. Топливная хим . 49 (2): 599. Архивировано из оригинала (PDF) 28 апреля 2017 года . Проверено 19 октября 2021 г.
  41. ^ Патент США 5266421, Таунсенд, Карл В. и Населоу, Артур Б., «Улучшенный интерфейс мембрана-электрод», выдан 11 ноября 2008 г., передан компании Hughes Aircraft. 
  42. ↑ Габриэль Гаш (17 декабря 2007 г.). «Разработана новая протонообменная мембрана - Nafion обещает недорогие топливные элементы». Софтпедия . Архивировано из оригинала 23 апреля 2008 года . Проверено 18 июля 2008 г.
  43. ^ Варко, Джон Р.; Атанасов, Пламен; Декель, Дарио Р.; Херринг, Эндрю М.; Хикнер, Майкл А.; Коль, Пол. А.; Кучернак, Энтони Р.; Мастейн, Уильям Э.; Неймейер, Китти; Скотт, Кейт; Сюй, Тунвэнь; Чжуан, Линь (2014). «Анионообменные мембраны в электрохимических энергетических системах». Энергетическая среда. Наука . 7 (10): 3135–3191. дои : 10.1039/C4EE01303D . hdl : 10044/1/24509 .
  44. ^ Декель, Дарио Р. (январь 2018 г.). «Обзор характеристик топливных элементов с анионообменной мембраной». Журнал источников энергии . 375 : 158–169. Бибкод : 2018JPS...375..158D. дои : 10.1016/j.jpowsour.2017.07.117 .
  45. ^ «Разработка самого эффективного электролизера в мире» . Сверхкритический . Архивировано из оригинала 6 ноября 2021 года . Проверено 6 ноября 2021 г.
  46. ^ «Недорогой вододелитель, работающий от обычной батареи типа ААА» . КурцвейлАИ . 22 августа 2014 года. Архивировано из оригинала 16 апреля 2015 года . Проверено 11 апреля 2015 г.
  47. ^ 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.
  48. ^ Малдер, FM; и другие. (2017). «Эффективное хранение электроэнергии с помощью баттолайзера, встроенной Ni-Fe-аккумулятора и электролизера». Энергетика и экология . 10 (3): 756–764. дои : 10.1039/C6EE02923J. S2CID  99216185 . Проверено 6 июня 2020 г.
  49. ↑ Блейн, Лоз (14 февраля 2023 г.). «"Исключительный" новый катализатор дешево расщепляет водород из морской воды». Новый Атлас . Архивировано из оригинала 14 февраля 2023 года . Проверено 14 февраля 2023 г.
  50. ^ Ходжес, Аарон; Хоанг, Ань Линь; Цекорас, Джордж; Вагнер, Клаудия; Ли, Чонг-Ён; Свигерс, Герхард Ф.; Уоллес, Гордон Г. (15 марта 2022 г.). «Высокопроизводительная электролитическая ячейка с капиллярной подачей обещает более конкурентоспособный по стоимости возобновляемый водород». Природные коммуникации . 13 (1): 1304. Бибкод : 2022NatCo..13.1304H. дои : 10.1038/s41467-022-28953-x . ПМЦ 8924184 . ПМИД  35292657. 
  51. ^ «Сделать космос безопаснее с помощью электролиза». КАК Я . Архивировано из оригинала 15 мая 2012 года . Проверено 26 мая 2012 г.
  52. ^ «Легко дышать на космической станции». Наука НАСА. Архивировано из оригинала 19 мая 2012 года . Проверено 26 мая 2012 г.
  53. ^ «Новым электрическим сетям труднее сбалансировать спрос и предложение» . Экономист . ISSN  0013-0613. Архивировано из оригинала 30 апреля 2023 года . Проверено 30 апреля 2023 г.
  54. ^ Лука Бертуччиоли; и другие. (7 февраля 2014 г.). «Развитие электролиза воды в Европейском Союзе» (PDF) . Совместное предприятие клиента по топливным элементам и водороду . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2015 года . Проверено 3 декабря 2014 г.(стр. 10). Архивировано 10 марта 2016 г. в Wayback Machine .
  55. ^ 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 , .
  56. ↑ Коллинз, Ли (28 апреля 2022 г.). «« Более дешевый зеленый водород » | Новый недорогой электролизер американского стартапа обещает на 30% большую отдачу от вложенных средств» . Перезарядка . Архивировано из оригинала 1 мая 2022 года . Проверено 1 мая 2022 г.
  57. ^ "Хельмет". Высокотемпературная электролизная ячейка . Архивировано из оригинала 24 мая 2022 года . Проверено 20 июня 2022 г.
  58. ^ «Уроки, извлеченные из разработки SOFC/SOEC» (PDF) . ДОУ . Архивировано (PDF) из оригинала 20 июня 2022 года . Проверено 20 июня 2022 г.
  59. ↑ Столтен, Детлеф (4 января 2016 г.). Водородная наука и техника: материалы, процессы, системы и технологии. Джон Уайли и сыновья. п. 898. ИСБН 9783527674299. Архивировано из оригинала 22 апреля 2018 года . Проверено 22 апреля 2018 г.
  60. ↑ Бернхольц, январь (13 сентября 2018 г.). «Бывшие, текущие и возможные будущие приложения RWE для хранения энергии» (PDF) . РВЕ . п. 10. Архивировано из оригинала 23 мая 2019 года . Проверено 23 мая 2019 г. Общий КПД: 70% или 86% (использование отработанного тепла)
  61. ^ «ITM - Инфраструктура заправки водородом - февраль 2017 г.» (PDF) . level-network.com . п. 12. Архивировано (PDF) из оригинала 17 апреля 2018 г. Проверено 17 апреля 2018 г.
  62. ^ «Снижение затрат и повышение производительности электролизеров PEM» (PDF) . Европа (веб-портал). п. 9. Архивировано (PDF) из оригинала 17 апреля 2018 г. . Проверено 17 апреля 2018 г.
  63. ^ аб Бьёрнар Крузе; Сондре Гринна; Като Бух (13 февраля 2002 г.). «Водород — статус и возможности» (PDF) . Фонд Беллона. п. 20. Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2013 года . Прогнозируется, что коэффициент полезного действия электролизеров PEM достигнет 94%, но на данный момент это только теоретически.
  64. ^ Вернер Циттель; Рейнхольд Вурстер (8 июля 1996 г.). «Глава 3: Производство водорода. Часть 4: Производство электроэнергии посредством электролиза». HyWeb: Знания – водород в энергетике . Людвиг-Бёльков-Системтехник ГмбХ. Архивировано из оригинала 7 февраля 2007 года . Проверено 14 января 2006 г.
  65. ^ «Высокоскоростной и высокоэффективный 3D-электролиз воды» . Grid-shift.com. Архивировано из оригинала 22 марта 2012 года . Проверено 13 декабря 2011 г.
  66. ^ «Технические цели Министерства энергетики по производству водорода путем электролиза» . Energy.gov.ru . Министерство энергетики США. Архивировано из оригинала 23 апреля 2018 года . Проверено 22 апреля 2018 г.
  67. ↑ 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 года.
  68. ^ Соизволил, Джейсон. «Xcel привлекает «беспрецедентно» низкие цены на солнечную и ветровую энергию в сочетании с накопителями». greentechmedia.com . Вуд Маккензи. Архивировано из оригинала 4 февраля 2018 года . Проверено 22 апреля 2018 г.
  69. ^ «Широко распространенная адаптация конкурентного водородного раствора» (PDF) . nel Hydrogen.com . Нел АСА. Архивировано (PDF) из оригинала 22 апреля 2018 г. Проверено 22 апреля 2018 г.
  70. ^ Филибер, Седрик. «Комментарий: Производство промышленного водорода из возобновляемых источников энергии». iea.org . Международное энергетическое агентство. Архивировано из оригинала 22 апреля 2018 года . Проверено 22 апреля 2018 г.
  71. ↑ Коллинз, Ли (7 марта 2022 г.). «Война в Украине | Зеленый водород «теперь дешевле серого в Европе, на Ближнем Востоке и в Китае»: BNEF». Перезарядка . Архивировано из оригинала 5 апреля 2022 года.
  72. ↑ Коллинз, Ли (1 февраля 2022 г.). «Рекордсмен | Крупнейший в мире проект по производству экологически чистого водорода с электролизером мощностью 150 МВт запущен в Китае». Перезарядка . Архивировано из оригинала 6 февраля 2022 года . Проверено 6 февраля 2022 г.
  73. ↑ Хейворд, Хак (19 апреля 2022 г.). «Пекинская водородная организация признает, что китайские электролизеры не могут конкурировать с западными машинами — пока». Перезарядка . Архивировано из оригинала 20 апреля 2022 года.
  74. ^ 1,23 В — стандартный потенциал; в нестандартных условиях она может быть другой, в частности, уменьшается с температурой.
  75. ^ Кибсгаард, Якоб; Харамилло, Томас Ф.; Безенбахер, Флемминг (2014). «Создание подходящего мотива активного центра в катализаторе выделения водорода с кластерами тиомолибдата [Mo3S13]2-». Природная химия . 6 (3): 248–253. Бибкод : 2014НатЧ...6..248К. дои : 10.1038/nchem.1853. PMID  24557141. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 года . Проверено 1 июля 2019 г.
  76. ^ Фэй, Хуэйлун; Йе, Жуцюань; Йе, Гунлан; Гонг, Ёнджи; Пэн, Живэй; Фань, Сюцзюнь; Сэмюэл, Эррол Л.Г.; Аджаян, Пуликель М.; Тур, Джеймс М. (2014). «Квантовые точки графена, легированные бором и азотом / гибридные нанопластинки графена как эффективные электрокатализаторы восстановления кислорода». АСУ Нано . 8 (10): 10837–43. дои : 10.1021/nn504637y. ПМИД  25251218.
  77. ^ Луо, Дж.; Им, Ж.-Х.; Майер, Монтана; Шрайер, М.; Назируддин, депутат Кнессета; Парк, Н.-Г.; Тилли, SD; Фан, HJ; Грацель, М. (2014). «Фотолиз воды с эффективностью 12,3% с помощью перовскитных фотоэлектрических элементов и земных катализаторов». Наука . 345 (6204): 1593–1596. Бибкод : 2014Sci...345.1593L. дои : 10.1126/science.1258307. PMID  25258076. S2CID  24613846.
  78. ↑ Шварц, Марк (22 августа 2014 г.). «Ученые из Стэнфорда разработали водоразделитель, работающий от обычной батарейки типа ААА». Новости.stanford.edu. Архивировано из оригинала 16 апреля 2016 года . Проверено 5 мая 2016 г.
  79. ^ «Ученые разработали вододелитель, работающий от обычной батареи типа ААА» . Технология.орг. 25 августа 2014 года. Архивировано из оригинала 2 апреля 2016 года . Проверено 5 мая 2016 г.
  80. ↑ Кондори, Алиреза (2 мая 2019 г.). «Идентификация каталитических активных центров фосфида тримолибдена (Mo3P) для электрохимического выделения водорода». Передовые энергетические материалы . Передовые энергетические материалы. 9 (22): 1900516. Бибкод : 2019AdEnM...900516K. дои : 10.1002/aenm.201900516 . ОСТИ  1531000.
  81. ↑ Ши, Янмей (25 января 2016 г.). «Последние достижения в области наноматериалов на основе фосфидов переходных металлов: синтез и применение в реакции выделения водорода». Обзоры химического общества . Обзоры химического общества. 45 (6): 1529–1541. дои : 10.1039/C5CS00434A. ПМИД  26806563.
  82. ^ Хайман Д. Гессер (2002). Прикладная химия. Спрингер. стр. 16–. ISBN 978-0-306-46700-4. Проверено 18 декабря 2011 г.
  83. ^ Бадвал, Сухвиндер П.С.; Гиддей, Сарбджит; Маннингс, Кристофер (сентябрь 2013 г.). «Производство водорода твердоэлектролитическими путями». Междисциплинарные обзоры Wiley: энергетика и окружающая среда . 2 (5): 473–487. Бибкод : 2013WIREE...2..473B. дои : 10.1002/wene.50. S2CID  135539661.
  84. ^ Бадвал, Сухвиндер П.С.; Гидди, Сарбжит С.; Маннингс, Кристофер; Бхатт, Ананд И.; Холленкамп, Энтони Ф. (24 сентября 2014 г.). «Новые технологии электрохимического преобразования и хранения энергии (открытый доступ)». Границы в химии . 2 : 79. Бибкод :2014FrCh....2...79B. дои : 10.3389/fchem.2014.00079 . ПМЦ 4174133 . ПМИД  25309898. 

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме электролиза воды .