ปัจจัยหลักที่จำกัดความทนทานของอิเล็กโทรไลเซอร์ เออีเอ็ม

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องแยกน้ำแบบอิเล็กโทรไลเซอร์ประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง เนื่องจากการผลิตและการใช้ไฮโดรเจนในปริมาณมากมีความสำคัญต่อการเพิ่มความสามารถในการฟื้นตัวของระบบผลิตและส่งไฟฟ้าหมุนเวียน ปัจจุบัน วิธีการผลิตไฮโดรเจนที่พบมากที่สุดคือการเปลี่ยนรูปไอน้ำของมีเทนหรือไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ แต่กระบวนการนี้ก่อให้เกิดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมาก ดังนั้นเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์น้ำที่สร้างไฮโดรเจนและออกซิเจนผ่านการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเคมีกลายเป็นแหล่งรวมการวิจัย

ภายใต้สภาวะการทำงานที่อุณหภูมิสูง (700–950°C)เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ไอน้ำออกไซด์ของแข็ง (SOECs)ได้รับการพัฒนาและตรวจสอบแล้วในห้องปฏิบัติการและในระดับนำร่อง (ดูรูปที่ 1) อุณหภูมิการทำงานที่สูงของสอ.ก.ช่วยให้สามารถทำงานที่แรงดันไฟเซลล์ค่อนข้างต่ำโดยแทบไม่มีข้อจำกัดทางจลนศาสตร์ ทำให้บรรลุผลเกือบ 100%ประสิทธิภาพอิเล็กโทรไลซิสค่าความร้อนสูง (เอชเอชวี)ที่ความหนาแน่นของกระแสไฟประมาณ 1 A/ซม.² อย่างไรก็ตาม การทำงานที่อุณหภูมิสูงยังนำมาซึ่งความท้าทายมากมาย เช่น เวลาในการเริ่มต้นและปิดเครื่องที่ยาวนาน การเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วเนื่องจากการแพร่กระจายของส่วนประกอบเซลล์ที่อุณหภูมิสูง และพิษที่เกิดจากผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน ทำให้สอ.ก.เผชิญความยากลำบากในการกระจายสินค้าสู่ตลาด

ปัญหาเกี่ยวกับด่างและเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ พีอีเอ็ม

เครื่องแยกน้ำด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (พีเอ็มเว) ใช้ประโยชน์เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (พีอีเอ็ม)และไอโอโนเมอร์ในอิเล็กโทรด ช่วยให้ทำงานได้โดยไม่ต้องมีอิเล็กโทรไลต์เหลวหมุนเวียน ในการกำหนดค่านี้ ทั้งขั้วบวกและขั้วลบจะสัมผัสโดยตรงกับอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีรูพรุนพีอีเอ็มโดยสร้างการจัดเรียงเซลล์แบบกะทัดรัด (การออกแบบช่องว่างเป็นศูนย์) (ดูรูปที่ 3) การออกแบบนี้ช่วยให้PEMWEsเพื่อทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าประมาณ 2 A/ซม.²

นอกจากนี้ เมมเบรนที่ไม่พรุนในPEMWEsรองรับการทำงานของความดันที่แตกต่างกันทำให้สามารถผลิตไฮโดรเจนที่มีแรงดันสูงที่แคโทดและผลิตออกซิเจนที่มีความดันบรรยากาศที่แอโนดได้ ซึ่งจะช่วยลดความจำเป็นในการบีบอัดเชิงกลรองเพื่อกักเก็บไฮโดรเจน แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ แต่ต้นทุนที่สูงของเครื่องเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า(เช่น อิริเดียมออกไซด์และแพลตตินัม) และตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่ทนต่อการกัดกร่อนและแผ่นไบโพลาร์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีกรด อาจกลายเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับระบบขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขนาดของกองเพิ่มขึ้น และส่วนประกอบเหล่านี้มีส่วนสำคัญต่อต้นทุนระบบโดยรวม ทั้งความกลัวและPEMWEsถือเป็นเทคโนโลยีที่สมบูรณ์และมีการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ตามความต้องการของแอปพลิเคชันเฉพาะ

ในสภาวะการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 100°C)เครื่องวิเคราะห์น้ำอัลคาไลน์ (โอ้โห)เป็นเทคโนโลยีที่มีความสมบูรณ์แบบความกลัวใช้สารละลายน้ำที่มีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (เกาะ)เป็นอิเล็กโทรไลต์เหลวและมีการติดตั้งด้วยแผ่นเยื่อกรองแบบมีรูพรุน(ดูรูปที่ 2) มีรายงานการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ปราศจากโลหะกลุ่มแพลตตินัม (พีจีเอ็ม)สำหรับปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจนและออกซิเจน (เช่นปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน (ของเธอ)และปฏิกิริยาวิวัฒนาการออกซิเจน (โออีอาร์)) ทิศทางการวิจัยปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การออกแบบ เช่น การกำหนดค่าช่องว่างเป็นศูนย์เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันการทำงาน อย่างไรก็ตามความกลัวมีอัตราการผลิตไฮโดรเจนค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 200 แม่/ซม.² ที่แรงดันไฟเซลล์ 1.8 V

หลักการทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ เออีเอ็ม

เครื่องแยกน้ำด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน (เอเอมเว)ดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่างและสามารถใช้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจากโลหะกลุ่มแพลตตินัม (พีจีเอ็ม). การเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน (เออีเอ็ม)เป็นโพลิเมอร์ไฮโดรเจนออกไซด์ตัวนำที่ไม่เป็นรูพรุนซึ่งมีกลุ่มฟังก์ชันประจุบวกคงที่บนโซ่หลักหรือโซ่ข้าง ช่วยให้สามารถกำหนดค่าช่องว่างเป็นศูนย์และดำเนินการภายใต้แรงดันที่แตกต่างกันได้ (ดูรูปที่ 4)

ปฏิกิริยาโดยรวมในเอเอ็มดับบลิวเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน (ของเธอ) และปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน (โออีอาร์) น้ำหรืออิเล็กโทรไลต์เหลวที่เป็นด่างจะหมุนเวียนผ่านแคโทด ซึ่งน้ำจะถูกทำให้ลดลงเป็นไอออนของไฮโดรเจนและไฮดรอกไซด์โดยการเพิ่มอิเล็กตรอนสองตัว (H₂O + 2e⁻ → H₂ + โอ้⁻) ไอออนของไฮดรอกไซด์จะแพร่กระจายผ่านเออีเอ็มไปยังขั้วบวก ขณะที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วลบ ที่ขั้วบวก ไอออนไฮดรอกไซด์จะรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างออกซิเจนและน้ำ ทำให้เกิดอิเล็กตรอนสองตัว (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻) ก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนก่อตัวเป็นฟองอากาศที่พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ของเธอ และ โออีอาร์ คล้ายกับPEMWEs, เดอะเยื่อที่ไม่พรุนการกำหนดค่าช่องว่างศูนย์ของเอเอ็มดับบลิวช่วยให้ผลิตไฮโดรเจนได้อย่างรวดเร็วและลดความจำเป็นในการบีบอัดทางกลเพื่อกักเก็บไฮโดรเจน

ที่น่าสังเกตก็คือเอเอ็มดับบลิวรวมข้อดีของความกลัว(ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจาก พีจีเอ็ม) และPEMWEs(โครงสร้างช่องว่างศูนย์และเมมเบรนที่ไม่มีรูพรุน) ที่น่าสนใจคือ ไม่เหมือนPEMWEsซึ่งใช้เฉพาะโพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์เท่านั้นเอเอ็มดับบลิวยังใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว (เช่น สารละลาย เกาะ หรือ K₂ซีโอ₃) อีกด้วย

การศึกษาการสร้างแบบจำลองล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการเติมอิเล็กโทรไลต์เหลวไม่เพียงช่วยลดความต้านทานโอห์มิกของเมมเบรนและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ยังช่วยปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาอีกด้วย โดยการเติมอิเล็กโทรไลต์เหลวลงในเซลล์ ค่า พีเอช ในบริเวณอินเทอร์เฟซตัวเร่งปฏิกิริยา-อิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าเคมีเพิ่มเติม อุตสาหกรรมเอเอ็มดับบลิวกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบในสารละลาย เกาะ 1 M จะผลิตไฮโดรเจนที่แรงดันไฟฟ้า 2 V และความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า 1.8 A/ซม.² ทำให้มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับแบบเดิมPEMWEsที่ความดันบรรยากาศ เนื่องจากต้นทุนการผลิตต่ำตัวเร่งปฏิกิริยาและฮาร์ดแวร์ รวมถึงการกำหนดค่าช่องว่างศูนย์ที่ใช้งานได้และการทำงานของแรงดันที่แตกต่างกันเอเอ็มดับบลิวกำลังได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้นในการผลิตไฮโดรเจน

ความท้าทายด้านความทนทานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ เออีเอ็ม

ความท้าทายทางเทคนิคเบื้องต้นของเอเอ็มดับบลิว(เครื่องแยกน้ำแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนประจุลบ) ในระบบที่สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์คือความทนทาน. ความทนทานในเอเอ็มดับบลิวโดยทั่วไปหมายถึงอายุการใช้งานของอุปกรณ์ ในช่วงเริ่มต้นของลุกขึ้นมาเลยการพัฒนา การวัดความทนทานทำได้ค่อนข้างง่าย เนื่องจากอายุการใช้งานของเซลล์สั้นลง (น้อยกว่า 500 ชั่วโมง) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีความทนทานมากขึ้นเอเอ็มดับบลิวมีการพัฒนาการวัดอายุขัยให้ซับซ้อนมากขึ้น

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือการใช้งานเซลล์นานกว่า 10,000 ชั่วโมงนั้นใช้เวลานานกว่าหนึ่งปี ดังนั้นความทนทานของเอเอ็มดับบลิวโดยทั่วไปจะประเมินโดยการวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในการทดสอบระยะยาว (100-1,000 ชั่วโมง) หรือโดยใช้การทดสอบความเครียดเร่ง (เอเอสที) ภายใต้เงื่อนไขการเสื่อมสภาพเร่ง (เช่น อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้นและความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง) อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าการทดสอบระยะยาวโดยใช้อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและการทดสอบอายุการใช้งานภายใต้เงื่อนไข เอเอสที อาจไม่สามารถคาดเดาความทนทานได้อย่างแม่นยำเอเอ็มดับบลิวเนื่องจากอายุการใช้งานของเซลล์ได้รับผลกระทบจากการเสื่อมสภาพหลายรูปแบบและมักถูกจำกัดเนื่องจากความล้มเหลวร้ายแรง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องใช้งานเซลล์อย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะการทำงานปกติเพื่อให้ได้อายุการใช้งานที่แท้จริง

แม้ว่าอายุการใช้งานของสแต็คเชิงพาณิชย์เครื่องแยกน้ำด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (พีเอ็มเว)อยู่ที่ประมาณ 20,000 ถึง 60,000 ชั่วโมง ซึ่งเป็นอายุการใช้งานที่รายงานไว้มากที่สุดเอเอ็มดับบลิวคือประมาณ 3,000 ชั่วโมง นอกจากนี้ส่วนใหญ่เอเอ็มดับบลิวได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะความกดอากาศ