знания

Възли електрод-диафрагма играят решаваща роля в електролизата на алкалната вода, процес, който привлече значително внимание през последните години поради потенциала си в производството на чист водород. Тези възли са в основата на електролизаторите, като улесняват разделянето на водата на водород и кислород чрез електрохимични реакции. Разбирането на тяхната функция и оптимизация е от ключово значение за напредъка на тази обещаваща технология за решения за устойчива енергия.

Какви материали обикновено се използват в комплектите електрод-диафрагма за алкална електролиза?

Изборът на материали за възли електрод-диафрагма е от решаващо значение за ефективността и издръжливостта на електролизаторите за алкална вода. Електродите обикновено се правят от метали или метални оксиди, които показват висока каталитична активност и стабилност в алкална среда. Никелът и неговите сплави са широко използвани поради отличните си характеристики и относително ниска цена. За анода, където се отделя кислород, никел-желязни сплави или никел, покрити с различни оксиди (напр. кобалтов оксид, рутениев оксид) са показали обещаващи резултати. Катодът, отговорен за отделянето на водород, често използва материали на основата на никел, понякога подобрени с метали от платиновата група или сплави на преходни метали за подобряване на каталитичната активност.

Диафрагмите, които разделят анодните и катодните отделения, обикновено са направени от порести материали, които позволяват транспорт на йони, като същевременно предотвратяват пресичането на газ. Азбестът се е използвал в миналото, но постепенно е премахнат поради опасения за здравето. Съвременните диафрагми често използват синтетични материали като полисулфон, политетрафлуоретилен (PTFE) или керамика на базата на циркониев оксид. Тези материали предлагат баланс между йонна проводимост, газонепропускливост и химическа стабилност в суровата алкална среда.

Последните постижения са фокусирани върху разработването на съвременни композитни материали, които съчетават предимствата на различни компоненти. Например, електроди с наноструктурирани повърхности или поддържани наночастици са показали повишена каталитична активност. По подобен начин композитните диафрагми, включващи неорганични пълнители в полимерни матрици, са показали подобрена производителност и дълготрайност.

Изборът на материали включва внимателен баланс на фактори, включително електрохимични характеристики, издръжливост, цена и въздействие върху околната среда. Текущите изследвания продължават да изследват нови материали и производствени техники за подобряване на цялостната ефективност и устойчивост на системите за електролиза на алкална вода.

Как конструкцията на модулите електрод-диафрагма влияе върху ефективността на електролизата?

Дизайнът на възли електрод-диафрагма значително влияе върху ефективността на електролизата на алкалната вода. Основните конструктивни съображения включват геометрията на електрода, дебелината и порьозността на диафрагмата и цялостната конфигурация на модула.

Геометрията на електрода играе решаваща роля за максимизиране на активната повърхност, налична за електрохимични реакции, като същевременно минимизира омичните загуби. Дизайни като мрежести електроди, перфорирани плочи или триизмерни структури като пяна или филц могат значително да увеличат ефективната повърхност в сравнение с плоските плочи електроди. Тази увеличена повърхност подобрява каталитичната активност и подобрява кинетиката на отделяне на газ. Освен това дизайнът на електрода трябва да улеснява ефективното отделяне на газовите мехурчета, за да се предотврати блокиране на активните места и да се намали омичното съпротивление.

Дизайнът на диафрагмата е също толкова важен. Дебелината на диафрагмата влияе върху йонното съпротивление на клетката; по-тънките диафрагми намаляват омичните загуби, но могат да компрометират механичната стабилност и ефективността на разделяне на газа. Порьозността и разпределението на размера на порите на диафрагмата трябва да бъдат оптимизирани, за да позволят ефективен транспорт на йони, като същевременно се поддържа адекватно разделяне на газовете. Някои усъвършенствани дизайни включват асиметрични структури на порите или градиентна порьозност, за да балансират тези изисквания.

Разстоянието между електродите и диафрагмата също влияе върху ефективността. Минимизирането на тази празнина намалява омичните загуби, но може да попречи на отстраняването на газовите мехурчета. Някои проекти включват канали за поток или структури за насърчаване на турбуленцията и подобряване на масовия транспорт.

Друг важен аспект е интегрирането на комплекта електрод-диафрагма в цялостния дизайн на клетката. Конфигурациите с нулева междина, където електродите са в пряк контакт с диафрагмата, са показали обещание за намаляване на омичните загуби. Тези конструкции обаче изискват внимателно проектиране, за да се осигури равномерен контакт и да се предотвратят горещи точки или зони с намалена активност.

Последните иновации изследват усъвършенствани концепции като проточни електроди, при които електролитът преминава през порести електродни структури. Този дизайн може да подобри масовия транспорт и отстраняването на мехурчета, което потенциално позволява по-високи плътности на тока и подобрена ефективност.

Оптимизацията на възел електрод-диафрагма дизайнът включва балансиране на множество, често конкуриращи се фактори. Изчислителното моделиране и усъвършенстваните техники за характеризиране все повече се използват за насочване на дизайнерски решения и прогнозиране на производителността при различни работни условия. С напредването на изследванията можем да очакваме да видим допълнителни усъвършенствания в дизайна на сглобяването, водещи до по-ефективни и рентабилни системи за електролиза на алкална вода.

Какви са последните постижения в технологията електрод-диафрагма за алкална електролиза?

В областта на електролизата на алкалната вода се наблюдава значителен напредък в технологията електрод-диафрагма през последните години, воден от нарастващото търсене на ефективни и мащабируеми методи за производство на водород. Тези иновации имат за цел да отговорят на ключови предизвикателства като намаляване на потреблението на енергия, увеличаване на издръжливостта и намаляване на общите системни разходи.

Една от най-обещаващите области на изследване е разработването на усъвършенствани катализатори както за анода, така и за катода. Наноструктурираните материали и биметалните или триметалните сплави са показали изключителна каталитична активност, значително намалявайки свръхпотенциала, необходим за разделяне на водата. Например двойните хидроксиди със слой никел-желязо (NiFe LDHs) се появиха като високоефективни катализатори за отделяне на кислород, превъзхождайки много материали на основата на благородни метали. От страна на отделянето на водород, никел-молибденовите сплави и никеловите фосфиди са показали забележителни резултати.

Техниките за модифициране на повърхността също са напреднали, позволявайки създаването на електроди с висока повърхностна площ с подобрени каталитични свойства. Използват се методи за плазмена обработка, електроотлагане и химическо отлагане на пари за създаване на електроди с оптимизирана морфология и състав. Тези техники могат да произвеждат електроди с йерархични структури, които съчетават висока повърхностна площ с ефективни свойства за транспортиране на маса.

В диафрагмената технология има промяна към композитни материали, които предлагат подобрена производителност и дълготрайност. Усъвършенстваните полимерно-керамични композити, например, комбинират гъвкавостта и обработваемостта на полимерите със стабилността и проводимостта на керамиката. Някои изследователи проучват използването на графенов оксид или други 2D материали като добавки за подобряване на механичните и транспортните свойства на диафрагмите.

Друг значителен напредък е разработването на анионобменни мембрани (AEM) като алтернативи на традиционните порести диафрагми. AEM предлагат потенциал за производство на газ с по-висока чистота и подобрена ефективност, като позволяват по-високи концентрации на електролит. Въпреки това остават предизвикателства по отношение на стабилността и проводимостта при работни условия.

Интегрирането на електродни и диафрагмени функции е друга област на иновация. Някои изследователи разработват бифункционални материали, които могат да служат както като електрокатализатори, така и като йонни проводници, потенциално опростявайки дизайна на клетката и намалявайки междуфазните съпротивления.

Техниките за адитивно производство, като 3D печат, се изследват за производството на възли електрод-диафрагма. Тези методи предлагат потенциал за създаване на сложни, оптимизирани структури, които биха били трудни или невъзможни за производство с традиционните производствени техники.

И накрая, има нарастващ интерес към развитие възли електрод-диафрагма които могат да работят ефективно при променливи натоварвания, решаващ фактор за интегриране с възобновяеми енергийни източници. Това включва изследване на материали и дизайни, които могат да поддържат висока ефективност в широк диапазон от плътности на тока и бърз цикъл на включване и изключване.

Тези постижения в технологията електрод-диафрагма проправят пътя за по-ефективни, издръжливи и рентабилни системи за електролиза на алкална вода. Тъй като изследванията продължават и тези иновации се преместват от лабораторията към търговски приложения, можем да очакваме да видим значителни подобрения в жизнеспособността на широкомащабното производство на водород чрез водна електролиза.

Ако се интересувате от продуктите на Xi'an Taijin New Energy Technology Co., Ltd., моля свържете се yangbo@tjanode.com.

Източници

1. Плетчър, Д. и Ли, X. (2011). Перспективи за алкални водни електролизатори с нулева междина за производство на водород. Международен вестник за водородна енергия, 36 (23), 15089-15104.

2. Zeng, K., & Zhang, D. (2010). Скорошен напредък в електролизата на алкална вода за производство и приложения на водород. Напредък в науката за енергията и горенето, 36 (3), 307-326.

3. Schalenbach, M., Tjarks, G., Carmo, M., Lueke, W., Mueller, M., & Stolten, D. (2016). Киселинна или алкална? Към нова перспектива за ефективността на водната електролиза. Journal of The Electrochemical Society, 163 (11), F3197-F3208.

4. Марини, С., Салви, П., Нели, П., Песенти, Р., Вила, М., Беретони, М., ... и Кирос, Й. (2012). Усъвършенствана електролиза на алкална вода. Electrochimica Acta, 82, 384-391.

5. Diaz-Morales, O., Ledezma-Yanez, I., Koper, MT, & Calle-Vallejo, F. (2015). Насоки за рационално проектиране на двойни хидроксидни електрокатализатори на база Ni за реакцията на отделяне на кислород. ACS Catalysis, 5 (9), 5380-5387.

6. Винсент, И. и Бесарабов, Д. (2018). Нискотарифно производство на водород чрез електролиза на анионобменна мембрана: преглед. Прегледи за възобновяема и устойчива енергия, 81, 1690-1704.

7. Zhao, S., Yan, L., Luo, H., Mustain, W., & Xu, H. (2020). Скорошен напредък и перспективи за разработване на бифункционален катализатор за редуциране/отделяне на кислород за горивни клетки с регенеративна анионобменна мембрана. Нано енергия, 75, 104889.

8. Филипс, Р. и Дънил, CW (2016). Дизайн на клетка за алкална електролиза с нулев интервал за съхранение на възобновяема енергия като водороден газ. RSC Advances, 6 (102), 100643-100651.

9. Lu, Z., Xu, W., Zhu, W., Yang, Q., Lei, X., Liu, J., ... & Sun, X. (2014). Триизмерен NiFe наслоен двоен хидроксиден филм за високоефективна реакция на отделяне на кислород. Химически съобщения, 50 (49), 6479-6482.

10. Nørskov, JK, Bligaard, T., Logadottir, A., Kitchin, JR, Chen, JG, Pandelov, S., & Stimming, U. (2005). Тенденции в обменния ток за отделяне на водород. Journal of The Electrochemical Society, 152 (3), J23-J26.