น้ำอิเล็กโทรไลเซอร์สำหรับไฮโดรเจน

กระแสไฟฟ้าเป็นทางเลือกที่น่าหวังสำหรับการผลิตไฮโดรเจนที่ปราศจากคาร์บอนจากทรัพยากรหมุนเวียนและนิวเคลียร์ อิเล็กโทรไลซิสเป็นกระบวนการของการใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในหน่วยที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ อิเล็กโทรไลเซอร์มีขนาดตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็กขนาดอุปกรณ์ที่เหมาะสำหรับการผลิตไฮโดรเจนแบบกระจายขนาดเล็กไปจนถึงโรงงานผลิตส่วนกลางขนาดใหญ่ที่สามารถเชื่อมโยงโดยตรงกับรูปแบบที่หมุนเวียนหรือไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกอื่น ๆ การผลิตไฟฟ้า

มันทำงานอย่างไร
เช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิง อิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยแอโนดและแคโทดที่แยกจากกันด้วยอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโตรไลเซอร์แต่ละชนิดทำหน้าที่ต่างกัน โดยสาเหตุหลักมาจากวัสดุอิเล็กโทรไลต์ประเภทต่างๆ ที่เกี่ยวข้องและประเภทของไอออนิกที่อิเล็กโตรไลเซอร์ดำเนินการ

โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรนอิเล็กโทรไลต์
ในอิเล็กโทรไลต์เมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ (PEM) อิเล็กโทรไลต์เป็นวัสดุพลาสติกชนิดพิเศษที่เป็นของแข็ง

น้ำทำปฏิกิริยาที่ขั้วบวกเพื่อสร้างออกซิเจนและไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) ที่มีประจุบวก
อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจรภายนอก และไอออนของไฮโดรเจนจะเคลื่อนที่ผ่าน PEM ไปยังแคโทดอย่างเฉพาะเจาะจง
ที่แคโทด ไอออนไฮโดรเจนจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจน ปฏิกิริยาแอโนด: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- ปฏิกิริยาแคโทด: 4H+ + 4e- → 2H2

อัลคาไลน์อิเล็กโทรไลเซอร์
อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์ทำงานโดยการขนส่งไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) ผ่านอิเล็กโทรไลต์จากแคโทดไปยังแอโนด โดยมีไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่ด้านแคโทด อิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้สารละลายอัลคาไลน์เหลวของโซเดียมหรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์มีจำหน่ายในท้องตลาดมานานหลายปีแล้ว แนวทางใหม่กว่าโดยใช้เยื่อแลกเปลี่ยนอัลคาไลน์แข็ง (AEM) เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์มีแนวโน้มที่ดีในระดับห้องปฏิบัติการ

อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์ของแข็ง
อิเล็กโทรไลเซอร์โซลิดออกไซด์ ซึ่งใช้วัสดุเซรามิกแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่คัดเลือกไอออนออกซิเจนที่มีประจุลบ (O2-) ที่อุณหภูมิสูง จะผลิตไฮโดรเจนในลักษณะที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย
ไอน้ำที่แคโทดจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจนและไอออนออกซิเจนที่มีประจุลบ
ไอออนออกซิเจนจะผ่านเมมเบรนเซรามิกแข็งและทำปฏิกิริยาที่ขั้วบวกเพื่อสร้างก๊าซออกซิเจนและสร้างอิเล็กตรอนสำหรับวงจรภายนอก
อิเล็กโทรไลเซอร์โซลิดออกไซด์ต้องทำงานที่อุณหภูมิสูงเพียงพอเพื่อให้เมมเบรนออกไซด์แข็งทำงานได้อย่างถูกต้อง (ประมาณ 700 องศา –800 องศา เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM ที่ทำงานที่ 70 องศา –90 องศา และอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์เชิงพาณิชย์ ซึ่งโดยทั่วไปจะทำงานที่อุณหภูมิน้อยกว่า 100 องศา ) อิเล็กโทรไลเซอร์โซลิดออกไซด์ขั้นสูงระดับห้องปฏิบัติการที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เซรามิกที่นำโปรตอนมีแนวโน้มว่าจะลดอุณหภูมิการทำงานลงเหลือ 500 องศา –600 องศา อิเล็กโตรไลเซอร์โซลิดออกไซด์สามารถใช้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงขึ้นเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ (จากแหล่งต่างๆ รวมถึงพลังงานนิวเคลียร์) เพื่อลดปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่จำเป็นในการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ

เหตุใดจึงพิจารณาเส้นทางนี้
อิเล็กโทรไลซิสเป็นเส้นทางการผลิตไฮโดรเจนชั้นนำเพื่อบรรลุเป้าหมายพลังงานไฮโดรเจน Earthshot ในการลดต้นทุนของไฮโดรเจนที่สะอาดลง 80% เหลือ 1 ดอลลาร์ต่อ 1 กิโลกรัมใน 1 ทศวรรษ ("1 1 1") ไฮโดรเจนที่ผลิตได้จากอิเล็กโทรไลซิสอาจส่งผลให้มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของไฟฟ้าที่ใช้ แหล่งที่มาของไฟฟ้าที่ต้องการ รวมถึงต้นทุนและประสิทธิภาพ ตลอดจนการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เกิดจากการผลิตไฟฟ้า จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อประเมินประโยชน์และความอยู่รอดทางเศรษฐกิจของการผลิตไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรลิซิส ในหลายภูมิภาคของประเทศ โครงข่ายไฟฟ้าในปัจจุบันไม่เหมาะสำหรับการจ่ายไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส เนื่องจากก๊าซเรือนกระจกที่ปล่อยออกมาและปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องการเนื่องจากกระบวนการผลิตไฟฟ้ามีประสิทธิภาพต่ำ การผลิตไฮโดรเจนผ่านกระแสไฟฟ้ากำลังดำเนินการเพื่อทดแทน (ลม แสงอาทิตย์ พลังน้ำ ความร้อนใต้พิภพ) และทางเลือกพลังงานนิวเคลียร์ เส้นทางการผลิตไฮโดรเจนเหล่านี้ส่งผลให้ก๊าซเรือนกระจกกลายเป็นศูนย์และเกณฑ์การปล่อยมลพิษ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนการผลิตจำเป็นต้องลดลงอย่างมากเพื่อให้สามารถแข่งขันกับเส้นทางที่ใช้คาร์บอนที่เติบโตมากขึ้น เช่น การปฏิรูปก๊าซธรรมชาติ

ศักยภาพในการทำงานร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทน
การผลิตไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรไลซิสอาจเสนอโอกาสในการประสานกับการผลิตพลังงานแบบไดนามิกและไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนบางอย่าง ตัวอย่างเช่น แม้ว่าต้นทุนของพลังงานลมจะลดลงอย่างต่อเนื่อง แต่ความแปรปรวนโดยธรรมชาติของลมก็เป็นอุปสรรคต่อการใช้พลังงานลมอย่างมีประสิทธิผล การผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและพลังงานไฟฟ้าสามารถบูรณาการได้ที่ฟาร์มกังหันลม ทำให้มีความยืดหยุ่นในการเปลี่ยนการผลิตเพื่อให้ตรงกับความพร้อมของทรัพยากรให้ตรงกับความต้องการในการปฏิบัติงานของระบบและปัจจัยทางการตลาด นอกจากนี้ ในช่วงเวลาที่มีการผลิตไฟฟ้าส่วนเกินจากฟาร์มกังหันลม แทนที่จะลดการผลิตไฟฟ้าตามปกติ ก็เป็นไปได้ที่จะใช้ไฟฟ้าส่วนเกินนี้เพื่อผลิตไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรไลซิส

เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบ...
ไฟฟ้าจากโครงข่ายในปัจจุบันไม่ใช่แหล่งไฟฟ้าในอุดมคติสำหรับการแยกสลายด้วยไฟฟ้า เนื่องจากไฟฟ้าส่วนใหญ่ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีที่ส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและเป็นการใช้พลังงานอย่างเข้มข้น การผลิตไฟฟ้าโดยใช้เทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนหรือพลังงานนิวเคลียร์ ไม่ว่าจะแยกออกจากโครงข่ายหรือเป็นส่วนที่เพิ่มขึ้นของโครงข่ายไฟฟ้าผสม เป็นทางเลือกที่เป็นไปได้ในการเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้สำหรับการผลิตไฮโดรเจนผ่านทางอิเล็กโทรลิซิส

ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส กระบวนการไอออไนซ์สองกระบวนการที่แตกต่างกันเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน ในกรณีนี้ทั้งน้ำและอิเล็กโทรไลต์แข่งขันกัน

อิเล็กโทรไลต์ผ่านกระบวนการไอออไนเซชันเช่นเดียวกับน้ำ การเกิดออกซิเดชันและการรีดักชันแบบเดียวกันจะเกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลต์
เนื่องจากไอออนจากอิเล็กโทรไลต์แข่งขันกับไฮดรอกไซด์ไอออนเพื่อให้อิเล็กตรอน และไอออนบวกแข่งขันกับไฮโดรเจนไอออนเพื่อรีดิวซ์โดยการยอมรับอิเล็กตรอน จึงจำเป็นต้องเลือกอิเล็กโทรไลต์ด้วยความระมัดระวัง

แคตไอออนของอิเล็กโทรไลต์จะต้องมีศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดต่ำกว่า H+ โปรดจำไว้เสมอว่าในการอิเล็กโทรไลซิส ศักย์ไฟฟ้าของไอออนบวกของอิเล็กโทรไลต์ควรน้อยกว่าศักย์ไฟฟ้าของไอออนบวกของสารที่ถูกอิเล็กโทรไลต์ และศักย์ไฟฟ้าของไอออนของอิเล็กโทรไลต์ควรมากกว่าศักย์ไฟฟ้าของไอออนของอิเล็กโทรไลต์ สารที่ถูกอิเล็กโทรไลต์

การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวโดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนได้จุดประกายความสนใจมากพอในการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าโดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถือเป็นวิธีการที่มีแนวโน้มว่าจะช่วยเพิ่มอัตราการผลิตไฮโดรเจน ในปี 2020 มีการผลิตไฮโดรเจนประมาณ 87 ล้านตันทั่วโลกเพื่อการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการกลั่นน้ำมัน การผลิตแอมโมเนีย (NH3) (ผ่านกระบวนการ Haber) และเมทานอล (CH3OH) (ผ่านการลดคาร์บอนมอนอกไซด์ [CO]) และในฐานะ เชื้อเพลิงสำหรับการขนส่ง ความต้องการไฮโดรเจนคาดว่าจะสูงถึง 500-680 ล้านตันภายในปี 2593 ตลาดการผลิตไฮโดรเจนมีมูลค่า 130 พันล้านดอลลาร์ระหว่างปี 2563 ถึง 2564 และคาดว่าจะเติบโตที่อัตรา 9.2% ต่อปีจนถึงปี 2573 แต่มีข้อเสียอยู่: กว่า 95% ของการผลิตไฮโดรเจนในปัจจุบันใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล โดยมี "สีเขียว" น้อยมาก ปัจจุบัน การผลิตไฮโดรเจนใช้ก๊าซธรรมชาติทั่วโลก 6% และถ่านหิน 2% ของโลก อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมกำลังได้รับความนิยม

อิเล็กโทรไลซิสเป็นกระบวนการที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำออกเป็น H2 และ O2 การไหลของอิเล็กตรอนผ่านเส้นทางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เช่น ลวด ถือเป็นกระแสไฟฟ้า เส้นทางนี้เรียกว่าวงจร อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เนื่องจากความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและแคโทด ขั้วบวกมีอิเล็กตรอนมากกว่าและไม่เสถียรมากขึ้นเนื่องจากการอัดแน่นของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนต้องการจัดเรียงตัวเองใหม่เพื่อขจัดความแตกต่าง อิเล็กตรอนจะผลักกันและพยายามเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่า นั่นคือแคโทด
เนื่องจากน้ำบริสุทธิ์ไม่นำไฟฟ้า การแยกตัวของน้ำจึงเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ช้า

เคมี
ในอิเล็กโทรไลเซอร์จะมีแคโทดหนึ่งตัวและแอโนดหนึ่งตัวเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน อิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วบวกไปยังแคโทดเสมอไม่ว่าจะเกิดอะไรขึ้นก็ตาม แคโทดจะอยู่ที่บริเวณที่มีการรีดักชั่นเสมอ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงต้องอยู่ที่นั่น ออกซิเดชันคือการสูญเสียอิเล็กตรอน และการลดลงคือเกนของอิเล็กตรอน
กล่าวโดยสรุป ที่แคโทดที่มีประจุลบ จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันขึ้น โดยให้อิเล็กตรอน (e−) จากแคโทดแก่ไฮโดรเจนไอออนบวกเพื่อก่อตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจน
แคโทด (การลดลง):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
ที่ขั้วบวกที่มีประจุบวก จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ทำให้เกิดก๊าซออกซิเจน และให้อิเล็กตรอนแก่ขั้วบวกเพื่อทำให้วงจรสมบูรณ์
แอโนด (ออกซิเดชัน): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
ปฏิกิริยาเหล่านี้รวมกันทำให้เกิด:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 ถูกสร้างขึ้นที่แคโทด และ O2 ถูกสร้างขึ้นที่ขั้วบวก
การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าต้องใช้ความต่างศักย์ขั้นต่ำ 1.23 โวลต์ แม้ว่าแรงดันไฟฟ้านั้นจะต้องใช้ความร้อนภายนอกจากสิ่งแวดล้อมก็ตาม

สแต็คเซลล์ไบโพลาร์อิเล็กโทรไลซิสของน้ำประกอบด้วยเซลล์ไฟฟ้าเคมีหลายเซลล์ในซีรีย์ทางไฟฟ้า ในทางปฏิบัติ กลุ่มเซลล์อิเล็กโทรไลซิสของน้ำที่เพิ่งหยุดทำงานสามารถรักษาประจุไฟฟ้าจำนวนมากได้ เนื่องจากมีไฮโดรเจนและออกซิเจนตกค้างอยู่ภายในแต่ละเซลล์ หากปล่อยให้อยู่ตามลำพัง อาจต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าประจุไฟฟ้าเคมีที่ตกค้างนี้จะกระจายไป เจ้าหน้าที่บริการและบำรุงรักษาระบบต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งหากพยายามให้บริการหรือเปลี่ยนสแต็กเซลล์เหล่านี้หลังการทำงานไม่นาน ตัวอย่างเช่น เครื่องมือโลหะ เช่น ประแจ อาจเชื่อมช่องว่างระหว่างแผ่นขั้วบวกของกองเซลล์กับโครงโลหะที่ต่อลงกราวด์โดยไม่ได้ตั้งใจ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่หรือส่วนโค้งทางไฟฟ้าซึ่งเกิดความเสียหายและการบาดเจ็บอันเป็นผลที่ไม่พึงประสงค์ บุคลากรที่ไม่สวมอุปกรณ์ป้องกันฉนวนที่เหมาะสมก็มีความเสี่ยงเช่นกัน

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับเจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงและบริการคือการตรวจสอบว่าไม่มีประจุไฟฟ้าที่สำคัญเหลืออยู่ในปึกเซลล์ ก่อนที่จะถอดอุปกรณ์ป้องกันและการเชื่อมต่อไฟฟ้าออกจากปล่องเซลล์ บุคลากรควรดำเนินการวัดแรงดันไฟฟ้าของแผงเซลล์เพื่อตรวจสอบว่าแผงเซลล์ถูกคายประจุแล้ว ในบางกรณี เจ้าหน้าที่บริการอาจใช้เครื่องมือบริการที่ออกแบบอย่างเหมาะสม ซึ่งประกอบด้วยตัวต้านทานการลัดวงจรกระแสสูงทั่วปึกเซลล์ที่คายประจุออก เพื่อเป็นการป้องกันเพิ่มเติม

สินค้ามีจำหน่ายในทุกภูมิภาคของจีนและส่งออกไปประเทศต่างๆทั่วโลก มีจำหน่ายในกว่า 20 ประเทศและภูมิภาค รวมถึงสหรัฐอเมริกา เยอรมนี โมร็อกโก เคนยา ซาอุดีอาระเบีย เวียดนาม แอลจีเรีย อินเดีย แทนซาเนีย และไต้หวัน ประสบความสำเร็จในการให้บริการแก่องค์กรที่มีชื่อเสียง เช่น China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group และองค์กรที่มีชื่อเสียงอื่น ๆ มีสถานีเติมไฮโดรเจนไฮโดรเจนสีเขียวหลายแห่ง เช่น อู่หลานชาบู ไหโข่ว ไห่หนาน ไห่หนาน ไหโข่ว คุนหมิง มณฑลยูนนาน ฯลฯ ที่ให้บริการโครงการผลิตไฮโดรเจนและสีเขียว