في السنوات الأخيرة، أجريت أبحاث حولأجهزة تحليل المياه بالكهرباء عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفةوقد اكتسبت هذه الفكرة اهتمامًا واسع النطاق، حيث أن إنتاج الهيدروجين واستخدامه على نطاق واسع أمر بالغ الأهمية لتعزيز مرونة أنظمة توليد ونقل الكهرباء المتجددة. وفي الوقت الحالي، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج الهيدروجين هي من خلال إعادة تشكيل الميثان أو الهيدروكربونات الأخرى بالبخار، ولكن هذه العملية تولد انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. لذلك،محللات المياه الكهربائيةالتي تولد الهيدروجين والأكسجين عن طريقتقسيم الماء بالطرق الكهروكيميائيةأصبحت مركزًا بحثيًا.
في ظل ظروف التشغيل ذات درجات الحرارة العالية (700-950 درجة مئوية)،أجهزة التحليل الكهربائي بالبخار باستخدام أكسيد صلب (شركات الطاقة النووية)تم تطويرها والتحقق منها في المختبر وعلى نطاق تجريبي (انظر الشكل 1). درجة حرارة التشغيل العاليةالشركات المملوكة للدولةيسمح لهم بالعمل عند جهد خلوي منخفض نسبيًا مع عدم وجود قيود حركية تقريبًا، مما يحقق ما يقرب من 100%كفاءة التحليل الكهربائي ذات القيمة الحرارية العالية (فيروس نقص المناعة البشرية)عند كثافة تيار تبلغ حوالي 1 أمبير/سم². ومع ذلك، فإن التشغيل في درجات حرارة عالية يجلب أيضًا العديد من التحديات، مثل أوقات بدء التشغيل والإغلاق الطويلة، والتدهور السريع بسبب الانتشار المتبادل لدرجات الحرارة العالية لمكونات الخلية، والتسمم الناجم عن منتجات التآكل، مما يجعلالشركات المملوكة للدولةيواجهون صعوبات في النشر في السوق.
مشاكل مع القلوية وأجهزة التحليل الكهربائي لـ بيم
أجهزة التحليل الكهربائي للمياه باستخدام غشاء تبادل البروتون (بيموي) يستخدمأغشية تبادل البروتون (بيم)والأيونومرات في الأقطاب الكهربائية، مما يسمح بالعمل دون تدوير الإلكتروليتات السائلة. في هذا التكوين، يكون كل من الأنود والكاثود على اتصال مباشر مع الأقطاب الكهربائية غير المسامية.بيم، مما يشكل ترتيبًا مدمجًا للخلايا (تصميم الفجوة الصفرية) (انظر الشكل 3). يتيح هذا التصميمبيمويللعمل عند كثافة تيار تبلغ حوالي 2 أمبير/سم².
علاوة على ذلك، فإن الغشاء غير المسامي فيبيموييدعمعملية الضغط التفاضلي، مما يتيح توليد الهيدروجين تحت ضغط مرتفع عند الكاثود وتوليد الأكسجين تحت الضغط الجوي عند الأنود. وهذا يقلل من الحاجة إلى الضغط الميكانيكي الثانوي لتخزين الهيدروجين. وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن التكلفة العالية لتخزين الهيدروجين لا تزال مرتفعة.المحفزات الكهربائية(مثل أكسيد الإيريديوم والبلاتين)، ومجمعات التيار المقاومة للتآكل والألواح ثنائية القطب المستخدمة في البيئات الحمضية، قد تصبح عوامل مقيدة للأنظمة واسعة النطاق. وينطبق هذا بشكل خاص مع زيادة حجم المكدس، وتساهم هذه المكونات بشكل كبير في التكلفة الإجمالية للنظام.رهيبةوبيمويتعتبر هذه التقنيات ناضجة وتم نشرها تجارياً بناءً على احتياجات التطبيق المحددة.
في ظروف التشغيل ذات درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 100 درجة مئوية)،أجهزة التحليل الكهربائي للمياه القلوية (عوالم أخرى)هي تقنية ناضجة.رهيبةاستخدم محلول مائي يحتوي علىهيدروكسيد البوتاسيوم (كوه)كإلكتروليت سائل ومجهز بـأغشية فاصلة مسامية(انظر الشكل 2). وقد تم الإبلاغ عن أبحاث واسعة النطاق حول تطويرالمحفزات الكهربائية الخالية من مجموعة البلاتين المعدنية (بي جي إم)لتفاعلات تطور الهيدروجين والأكسجين (أي،تفاعل تطور الهيدروجين (ها)وتفاعل تطور الأكسجين (الموارد التعليمية المفتوحة)يركز اتجاه البحث الحالي على التصميمات مثل تكوينات الفجوة الصفرية لزيادة كثافة التيار أو ضغط التشغيل. ومع ذلك،رهيبةتتمتع بمعدلات إنتاج هيدروجين منخفضة نسبيًا، عادةً حوالي 200 مللي أمبير/سم² عند جهد خلية يبلغ 1.8 فولت.
مبادئ تشغيل جهاز التحليل الكهربائي إيم
أجهزة التحليل الكهربائي للمياه باستخدام غشاء التبادل الأنيوني (أيموي)تعمل في بيئة قلوية ويمكن استخدامهامحفزات خالية من مجموعة البلاتين المعدنية (بي جي إم). الغشاء تبادل الأنيونات (إيم)هو عبارة عن بوليمر موصل لأكسيد الهيدروجين غير مسامي مع مجموعات وظيفية مشحونة إيجابيا ثابتة على سلاسله الرئيسية أو الجانبية، مما يسمح بتكوينات الفجوة الصفرية والعمل تحت الضغط التفاضلي (انظر الشكل 4).
رد الفعل العام فيأيمويتتضمن تفاعل تطور الهيدروجين (ها) وتفاعل تطور الأكسجين (الموارد التعليمية المفتوحة). يدور الماء أو السائل الكهربائي القلوي عبر الكاثود، حيث يتم اختزال الماء إلى أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد عن طريق إضافة إلكترونين (H2O + 2e⁻ → H2 + أوه⁻). تنتشر أيونات الهيدروكسيد عبرإيمإلى الأنود، بينما يتم نقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى الكاثود. عند الأنود، تتحد أيونات الهيدروكسيد لتكوين الأكسجين والماء، مما يؤدي إلى توليد إلكترونين (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). تتشكل غازات الهيدروجين والأكسجين على شكل فقاعات على أسطح محفز ها وOER. على غراربيموي، الغشاء غير مساميتكوين الفجوة الصفريةأيموييسمح بإنتاج الهيدروجين بسرعة عالية ويقلل من الحاجة إلى الضغط الميكانيكي لتخزين الهيدروجين.
ومن الجدير بالذكر أنأيمويالجمع بين مزايارهيبة(محفزات خالية من بي جي إم) وبيموي(تكوينات الفجوة الصفرية والأغشية غير المسامية). ومن المثير للاهتمام، على عكسبيموي، والتي تستخدم حصريًا إلكتروليتات البوليمر، العديد منهاأيموياستخدم أيضًا الإلكتروليتات السائلة (مثل محاليل كوه أو K2CO₃).
تشير دراسات النمذجة الحديثة إلى أن إضافة إلكتروليت سائل لا يقلل فقط منالمقاومة الأوميةمن الغشاء وطبقة المحفز، بل ويحسن أيضًا حركية التفاعل. من خلال إضافة إلكتروليت سائل إلى الخلية، يزداد الرقم الهيدروجيني المحلي عند واجهة المحفز-الإلكتروليت، مما يخلق واجهة كهروكيميائية إضافية.أيمويمعالمحفزات القائمة على النيكلفي محلول 1 مول كوه، يتم إنتاج الهيدروجين عند جهد 2 فولت وكثافة تيار 1.8 أمبير/سم²، مما يحقق أداءً يضاهي الأداء التقليديبيمويعند الضغط الجوي. نظرًا لانخفاض تكلفةالمحفزاتوالأجهزة، فضلاً عن تكوين الفجوة الصفرية المعمول به وتشغيل الضغط التفاضلي،أيموييكتسبون اهتمامًا متزايدًا بإنتاج الهيدروجين.
تحديات المتانة لأجهزة التحليل الكهربائي إيم
التحدي التقني الأساسي لـأيموي(أجهزة التحليل الكهربائي للمياه ذات غشاء التبادل الأنيوني) في الأنظمة القابلة للتطبيق تجاريًا هيمتانة. المتانة فيأيموييشير هذا المصطلح عمومًا إلى عمر الجهاز. خلال المراحل المبكرة مندعونا ننهضكان قياس المتانة سهلاً نسبيًا نظرًا لأن عمر الخلية كان أقصر (أقل من 500 ساعة). ومع ذلك، نظرًا لأن المتانة كانت أعلى،أيمويمع تطور التكنولوجيا، أصبح قياس عمرها الافتراضي أكثر تعقيدًا.
من المهم ملاحظة أن تشغيل خلية لأكثر من 10000 ساعة يستغرق أكثر من عام. لذلك، فإن متانةأيموييتم تقييمها عادةً عن طريق قياس معدل تغير الجهد في الاختبارات طويلة المدى (100-1000 ساعة) أو باستخدام اختبارات الإجهاد المتسارعة (أست) في ظل ظروف التدهور المتسارع (مثل درجات حرارة التشغيل الأعلى وكثافات التيار العالية). ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الاختبارات طويلة المدى باستخدام معدلات تغير الجهد واختبارات عمر الخدمة في ظل ظروف أست قد لا تتنبأ بدقة بمتانةأيموي، حيث يتأثر عمر الخلية بأنماط تدهور متعددة وغالبًا ما يكون محدودًا بالفشل الكارثي. وبالتالي، يظل من الضروري تشغيل الخلية بشكل مستمر في ظل ظروف التشغيل العادية للحصول على عمرها الافتراضي الحقيقي.
على الرغم من عمر المكدس التجاريأجهزة التحليل الكهربائي للمياه باستخدام غشاء تبادل البروتون (بيموي)يبلغ عمر الخدمة المعلن عنه لمعظم الأجهزة حوالي 20,000 إلى 60,000 ساعة.أيموييبلغ عدد ساعات العمل حوالي 3000 ساعة. علاوة على ذلك، فإن معظمأيموييتم اختبارها تحت ظروف الضغط الجوي.
