การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิต H2 และ O2
แอโนดไทเทเนียมซึ่งเป็นส่วนสำคัญของอุปกรณ์ไฮโดรเจนและออกซิเจนด้วยไฟฟ้า มีคุณภาพคงที่ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและไม่มีมลพิษทุติยภูมิ มีศักยภาพสูงเกินไปต่ำ ให้ผลการประหยัดพลังงานที่ดี และสามารถประหยัดพลังงานได้ 15-20% มีทั้งแผ่น ตาข่าย รูปทรงท่อ และชิ้นส่วนรูปทรงพิเศษ
1. ความคืบหน้าการวิจัยเกี่ยวกับการผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ การผลิตไฮโดรเจนด้วยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำเป็นวิธีการสำคัญในการบรรลุการเตรียม H2 ทางอุตสาหกรรมและด้วยต้นทุนต่ำ และสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์ 99% ถึง 99.9% ทุกปี ปริมาณการใช้ไฟฟ้าในประเทศของฉันเพื่อการผลิตไฮโดรเจนโดยการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำมีมากกว่า (1.5×107) กิโลวัตต์·ชั่วโมง เมื่อกระแสไหลผ่านระหว่างอิเล็กโทรด ไฮโดรเจนจะถูกสร้างขึ้นที่แคโทด ออกซิเจนจะถูกสร้างที่ขั้วบวก และน้ำจะถูกอิเล็กโทรไลต์ [2] ส่วนหลักของอุปกรณ์การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าในน้ำคือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ และวัสดุอิเล็กโทรดเป็นกุญแจสำคัญในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ คุณภาพของประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์และการใช้พลังงานของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ และส่งผลโดยตรงต่อต้นทุน ประสิทธิภาพการจัดหาไฟฟ้าในการย่อยสลายน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจนโดยทั่วไปอยู่ที่ 75% ถึง 85% กระบวนการนี้ง่ายและปราศจากมลภาวะ แต่ใช้พลังงานมาก ดังนั้นการใช้งานจึงอยู่ภายใต้ข้อจำกัดบางประการ อิเล็กโทรไลซิสของน้ำจะดำเนินการในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์และแบ่งออกเป็นห้องแอโนดและห้องแคโทดด้วยไดอะแฟรม อิเล็กโทรดจะถูกวางไว้ในแต่ละห้อง เนื่องจากน้ำมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำมาก จึงใช้สารละลายที่เป็นน้ำ (ความเข้มข้นประมาณ 15%) พร้อมอิเล็กโทรไลต์ เมื่อกระแสไหลผ่านระหว่างอิเล็กโทรดที่แรงดันไฟฟ้าระดับหนึ่ง ไฮโดรเจนจะถูกสร้างขึ้นที่แคโทด และออกซิเจนจะถูกผลิตขึ้นที่ขั้วบวก ดังนั้นจึงทำให้เกิดอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ตามทฤษฎีแล้ว โลหะแพลตตินัมเป็นโลหะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอิเล็กโทรดอิเล็กโทรลิซิสน้ำ แต่ในทางปฏิบัติ อิเล็กโทรดเหล็กชุบนิกเกิลมักถูกใช้เพื่อลดต้นทุนอุปกรณ์และต้นทุนการผลิต เมื่อน้ำถูกอิเล็กโทรไลต์ สูตรปฏิกิริยาของอิเล็กโทรดจะเป็นดังนี้ [3] ในสารละลายที่เป็นกรด ปฏิกิริยาแคโทด: 4H++4e=2H2∏=0V ปฏิกิริยาแอโนด: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V ในสารละลายอัลคาไลน์ ปฏิกิริยาแคโทด: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V ปฏิกิริยาแอโนด: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V ดังที่เห็นได้จากสูตรข้างต้น ปฏิกิริยาโดยรวมของอิเล็กโทรไลซิสของน้ำจะเป็นดังนี้ ไม่ว่าจะในสารละลายที่เป็นกรดหรือด่าง 2H2O=2H2+O2 แรงดันการสลายตัวของน้ำตามทฤษฎีไม่เกี่ยวข้องกับค่า pH ดังนั้นสารละลายที่เป็นกรดหรือด่างจึงสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ได้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของโครงสร้างเซลล์อิเล็กโทรไลต์และการเลือกใช้วัสดุ การใช้สารละลายที่เป็นกรดมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดต่างๆ ดังนั้นในปัจจุบันมีการใช้สารละลายอัลคาไลน์ในอุตสาหกรรม
(1) เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสแบบอัลคาไลน์แบบดั้งเดิม ปัจจุบันอิเล็กโทรไลซิสในน้ำอัลคาไลน์เป็นวิธีการทั่วไปและสุกเต็มที่ในการเตรียมไฮโดรเจน วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์สูงและการลงทุนเน้นไปที่อุปกรณ์เป็นหลัก ไฮโดรเจนที่ผลิตได้มีความบริสุทธิ์สูงแต่ประสิทธิภาพไม่สูงมาก กระบวนการนี้ยังค่อนข้างเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและปราศจากมลภาวะ แต่ใช้ไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก ดังนั้นจึงอยู่ภายใต้ข้อจำกัดบางประการ ความดันของอิเล็กโทรลิซิสน้ำในอุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 1.65 ถึง 2.2 V อายุการใช้งานของวัสดุอิเล็กโทรดและการใช้พลังงานของอิเล็กโทรไลซิสน้ำเป็นปัจจัยสำคัญในการประเมินคุณภาพของวัสดุอิเล็กโทรดอิเล็กโทรดน้ำอัลคาไลน์ เมื่อความหนาแน่นกระแสไม่มาก ปัจจัยที่มีอิทธิพลหลักคือค่าศักย์ไฟฟ้าสูงเกินไป เมื่อความหนาแน่นกระแสเพิ่มขึ้น แรงดันตกคร่อมแรงดันไฟฟ้าเกินและความต้านทานกลายเป็นปัจจัยหลักของการใช้พลังงาน ในการใช้งานจริง อิเล็กโทรดทางอุตสาหกรรมควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ [3]: (1) พื้นที่ผิวสูง; (2) การนำไฟฟ้าสูง (3) กิจกรรมทางไฟฟ้าที่ดี (4) เสถียรภาพทางกลและเคมีในระยะยาว (5) การตกตะกอนของฟองอากาศขนาดเล็ก (6) หัวกะทิสูง (7) หาง่ายและต้นทุนต่ำ (8) ความปลอดภัย การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้ามักต้องการความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่มากกว่า (มากกว่า 4000 A/m2) ดังนั้นจุดที่ 2 และ 4 จึงมีความสำคัญมากกว่า เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าสูงสามารถลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากโพลาไรเซชันแบบโอห์มมิกได้ ความเสถียรสูงจึงช่วยรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนานของวัสดุอิเล็กโทรด 1 และ 3 เป็นข้อกำหนดในการลดศักยภาพที่สูงเกินไปของการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนและออกซิเจน และยังเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญสำหรับการประเมินประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดอีกด้วย
(2) โซลิดโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลต์น้ำ SPE เนื่องจากอิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีของเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์มีประสิทธิภาพต่ำไม่สะดวกในการเคลื่อนย้ายและมักต้องมีการบำรุงรักษาผู้คนจึงมองหาอิเล็กโทรไลต์ใหม่อย่างแข็งขันซึ่งกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาและการวิจัยการประยุกต์ใช้โซลิดโพลีเมอร์ อิเล็กโทรไลต์ (SPE) หรือที่เรียกว่าเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ปัจจุบัน อิเล็กโตรไลเซอร์ใช้เมมเบรนกรด Nafion perfluorosulfonic ที่เป็นของแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดใช้โลหะมีค่าหรือออกไซด์ที่มีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาสูง ซึ่งถูกทำให้อยู่ในรูปแบบผงที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และถูกเชื่อมติดและกดบนทั้งสองด้านของเมมเบรน Nafion โดยใช้เทฟลอนเพื่อสร้างการผสมผสานระหว่างเมมเบรนและอิเล็กโทรดที่มีความเสถียร
(3) กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง อีกวิธีหนึ่งในการผลิตไฮโดรเจนด้วยอิเล็กโทรไลซิสน้ำคืออิเล็กโทรไลซิสด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง นี่เป็นวิธีการที่ได้มาจากเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ โดยทั่วไป ห้องอิเล็กโทรไลซิสจะใช้ ZrO2 ที่มีความเสถียร Y2O3- เป็นอิเล็กโทรไลต์ ยิ่งอุณหภูมิสูง ความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลง อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของความต้านทานความร้อนของวัสดุ ขีดจำกัดอุณหภูมิด้านบนควรอยู่ที่ 1,000 องศา โดยปกติแล้ว ตัวเผาผสมของนิกเกิลและเซรามิกจะใช้เป็นแคโทด และใช้แคลเซียมไทเทเนียมคอมโพสิตออกไซด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเป็นขั้วบวก
2. การพัฒนาการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพ มีการศึกษาหัวข้อการใช้จุลินทรีย์เพื่อผลิตไฮโดรเจนมานานหลายทศวรรษ ในช่วงทศวรรษที่ 1930 มีรายงานรายงานครั้งแรกของการหมักสีเข้มของแบคทีเรียเพื่อผลิตไฮโดรเจน ต่อมาในปี พ.ศ. 2485 Gaffron และ Rubin รายงานว่าสาหร่ายสีเขียวใช้พลังงานแสงเพื่อผลิตไฮโดรเจน และในปี พ.ศ. 2492 Gest และ Kamen ได้ค้นพบแบคทีเรียที่ผลิตไฮโดรเจนด้วยแสง Spruit ยืนยันในปี 1958 ว่าสาหร่ายสามารถผลิตไฮโดรเจนผ่านกระบวนการโฟโตลิซิสโดยตรงโดยไม่จำเป็นต้องตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ การวิจัยของ Healy (1970) แสดงให้เห็นว่าเมื่อความเข้มของแสงสูงเกินไป กระบวนการผลิตไฮโดรเจนของ Chlamydomonas moewsuii จะถูกยับยั้งเนื่องจากการผลิตออกซิเจน ในช่วงวิกฤตพลังงานในทศวรรษ 1970 มีการวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพทั่วโลก Thauer ชี้ให้เห็นในปี 1976 ว่าการหมักแบบเข้มเป็นเรื่องยากที่จะใช้ในการผลิตจริง เนื่องจากสามารถผลิตไฮโดรเจนได้เพียง 4 โมลและกรดอะซิติก 2 โมลจากกลูโคส 1 โมลมากที่สุด แบคทีเรียโฟโตโทรฟิคสามารถเปลี่ยนซับสเตรต เช่น กรดอินทรีย์ให้เป็นไฮโดรเจนได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นตั้งแต่นั้นมา การวิจัยเกี่ยวกับการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพจึงมุ่งเน้นไปที่การหมักด้วยแสงเป็นหลัก ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 การสนับสนุนพลังงานหมุนเวียนในโครงการวิจัยและพัฒนา (R&D) ทั่วโลกค่อยๆ ลดลง ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ปัญหาสิ่งแวดล้อมเริ่มรุนแรงมากขึ้น และความสนใจของผู้คนมุ่งเน้นไปที่พลังงานทดแทน ด้วยการสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพในเยอรมนี ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา จึงมีการศึกษาด้านสาหร่ายที่ใช้พลังงานแสงเพื่อผลิตไฮโดรเจนจากน้ำอย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์โดยรวมในกระบวนการนี้ยังต่ำมาก ในทางกลับกัน การหมักแบบสีเข้มและแบคทีเรียที่ทำให้เกิดแสงสามารถผลิตไฮโดรเจนจากสารตั้งต้นที่มีราคาต่ำหรือขยะอินทรีย์ได้ เนื่องจากสามารถผลิตพลังงานสะอาดและบำบัดขยะอินทรีย์ได้ รัฐบาลสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นจึงสนับสนุนโครงการวิจัยระยะยาวหลายโครงการ คาดว่าการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพในทางปฏิบัติจะเกิดขึ้นจริงในช่วงกลางศตวรรษที่ 21 เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษแล้วนับตั้งแต่มีการค้นพบการผลิตไฮโดรเจนจากจุลินทรีย์ แต่ในทางปฏิบัติยังไม่มีการนำการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพมาใช้ ปัญหาทางเทคนิคหลายประการ เช่น การคัดกรองจุลินทรีย์ การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ และการปรับสภาวะการทำงานให้เหมาะสม ยังคงต้องได้รับการแก้ไข และต้นทุนของเทคโนโลยีนี้ก็ได้รับความสนใจเช่นกัน ในเชิงเศรษฐกิจ เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพไม่สามารถแข่งขันกับเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนเคมีแบบดั้งเดิมได้ในอนาคตอันใกล้นี้ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม โอกาสในการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพจะกว้างมาก การผลิตไฮโดรเจนชีวภาพประกอบด้วย: ระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพสังเคราะห์ด้วยแสง (หรือที่รู้จักในชื่อระบบการผลิตไฮโดรเจนไบโอโฟโตไลซิสโดยตรง); ระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพด้วยโฟโตไลซิส (หรือที่เรียกว่าระบบการผลิตไฮโดรเจนไบโอโฟโตไลซิสทางอ้อม); แบคทีเรียสังเคราะห์แสงเฮเทอโรโทรฟิกน้ำปฏิกิริยาการแปลงก๊าซระบบการผลิตไฮโดรเจน; ระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพแบบหมักด้วยแสง ระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพแบบหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจน (หรือที่เรียกว่าระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพแบบหมักสีเข้ม); ระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพแบบลูกผสมการสังเคราะห์ด้วยแสง-หมัก ระบบการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพในหลอดทดลอง ฯลฯ พลังงานไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานที่สะอาดและมีค่าความร้อนสูง การใช้แหล่งน้ำหมุนเวียนในธรรมชาติเพื่อผลิตไฮโดรเจนเป็นวิธีที่ไม่ต้องสงสัยสำหรับมนุษยชาติในอนาคต
หลังจากใช้เวลากว่าครึ่งศตวรรษของการวิจัย แม้ว่าการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าในน้ำและเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่โดยพื้นฐานแล้วยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาและยังไม่ได้นำไปใช้จริง ปัจจัยจำกัดต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ต่ำ การใช้พลังงานสูงในการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าในน้ำ การยับยั้งผลิตภัณฑ์ สภาพการทำงาน ฯลฯ ทำให้อัตราการผลิตไฮโดรเจนของระบบการผลิตไฮโดรเจนที่มีอยู่ไม่สูงเพียงพอหรือไม่ประหยัด และปัญหาคอขวดอื่นๆ อีกมากมาย ที่จะถูกทำลายต่อไป เพื่อลดต้นทุนการผลิตและขยายประสิทธิภาพการผลิต เราจะเตรียมการดำเนินการเชิงพาณิชย์ในอนาคต
บริษัท: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
ประเทศ:จีน
เพิ่ม: ถนน Baoti, Jintai, เมือง Baoji, มณฑลส่านซี, จีน
เซล:+86 18391894207(วอทแอพ)
จีเมล:alisa@jmyunti.com
เว็บไซต์:www.jm-titanium.com
