Elektrolyzér je elektrochemické zařízení k přeměně elektřiny a vody na vodík a kyslík, tyto plyny pak mohou být použity jako prostředek k uchovávání energie pro pozdější použití. Toto využití může sahat od stabilizace elektrické sítě z dynamických elektrických zdrojů, jako jsou větrné turbíny a solární články, až po lokální výrobu vodíku jako paliva pro vozidla s palivovými články. PEM elektrolyzér využívá pevný polymerní elektrolyt (SPE) k vedení protonů od anody ke katodě, přičemž elektrody jsou elektricky izolovány. Za standardních podmínek je entalpie potřebná pro vznik vody 285,9 kJ/mol. Část energie potřebné pro trvalou elektrolýzní reakci je dodávána tepelnou energií a zbytek je dodáván prostřednictvím elektrické energie.

ReactionsEdit

Skutečná hodnota napětí otevřeného obvodu provozního elektrolyzéru se bude pohybovat mezi 1,23 V a 1,48 V v závislosti na tom, jak konstrukce článku/zásobníku využívá vstupy tepelné energie. To je však poměrně obtížné určit nebo změřit, protože u provozního elektrolyzéru dochází také k dalším napěťovým ztrátám způsobeným například vnitřními elektrickými odpory, protonovou vodivostí, transportem hmoty článkem a využitím katalyzátoru.

Anodová reakceEdit

Poloviční reakce probíhající na anodové straně PEM elektrolyzéru se běžně označuje jako reakce evoluce kyslíku (OER). Reaktant kapalná voda se zde přivádí ke katalyzátoru, kde se dodaná voda oxiduje na kyslík, protony a elektrony.

2 H 2 O ( l ) ⟶ O 2 ( g ) + 4 H + ( aq ) + 4 e – {\displaystyle {\ce {2 H2O (l) -> O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e^-}}}}

Katodová reakceEdit

Poloviční reakce probíhající na katodové straně elektrolyzéru PEM se běžně označuje jako reakce vývinu vodíku (HER). Zde se dodané elektrony a protony, které prošly membránou, spojují za vzniku plynného vodíku.

4 H + ( aq ) + 4 e – ⟶ 2 H 2 ( g ) {\displaystyle {\ce {4H+ (aq) + 4 e^- -> 2H2 (g)}}}.

Následující obrázek znázorňuje zjednodušení fungování elektrolýzy PEM a ukazuje jednotlivé poloreakce společně s kompletní reakcí elektrolyzéru PEM. V tomto případě je elektrolyzér spojen se solárním panelem pro výrobu vodíku, solární panel však může být nahrazen jakýmkoli zdrojem elektrické energie.

Druhý termodynamický zákonEdit

Podle druhého termodynamického zákona je entalpie reakce:

Δ H = Δ G ⏟ elek. + T Δ S ⏟ teplo {\displaystyle \Delta H=\podtrženo {\Delta G}. _{\textrm {elec.}}+\podtržení {T\Delta S} _{\textrm {teplo}}}

Kde Δ G {\displaystyle \Delta G}

je Gibbsova volná energie reakce, T {\displaystyle T}

je teplota reakce a Δ S {\displaystyle \Delta S}

je změna entropie systému.

H 2 O ( l ) + Δ H ⟶ H 2 + 1 2 O 2 {\displaystyle {\ce {H2O (l) + \Delta H -> H2 + 1/2 O2}}}}

Celková buněčná reakce s termodynamickými energetickými vstupy pak bude:

H 2 O ( l ) → + 48.6 kJ/mol ⏟ tepla + 237,2 kJ/mol ⏞ elektřiny H 2 + 1 2 O 2 {\displaystyle {\ce {H2O(l)->{H2}+1/2O2}}}}.

Výše uvedené tepelné a elektrické příkony představují minimální množství energie, které lze dodat elektřinou, aby proběhla elektrolýzní reakce. Za předpokladu, že je reakci dodáno maximální množství tepelné energie (48,6 kJ/mol), je reverzibilní napětí článku V rev 0 {\displaystyle V_{\textrm {rev}}^{0}}.

lze vypočítat.

Napětí naprázdno (OCV)Edit

V rev 0 = Δ G 0 n ⋅ F = 237 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.23 V {\displaystyle V_{\textrm {rev}}^{0}={\frac {\Delta G^{0}}{n\cdot F}}={\frac {237\ {\textrm {kJ/mol}}}{2\× 96 , 485\ {\textrm {C/mol}}}}=1,23V}.

kde n {\displaystyle n}

je počet elektronů a F {\displaystyle F}

je Faradayova konstanta. Výpočet napětí článku za předpokladu, že neexistují žádné nevratnosti a veškerá tepelná energie je využita reakcí, se označuje jako dolní výhřevnost (LHV). Alternativní formulace, která používá vyšší výhřevnost (HHV), se počítá za předpokladu, že veškerá energie k pohonu elektrolýzní reakce je dodávána elektrickou složkou požadované energie, což vede k vyššímu reverzibilnímu napětí článku. Při použití HHV se výpočet napětí označuje jako termoneutrální napětí.

V th 0 = Δ H 0 n ⋅ F = 285,9 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.48 V {\displaystyle V_{\textrm {th}}^{0}={\frac {\Delta H^{0}}{n\cdot F}}={\frac {285,9\ {\textrm {kJ/mol}}}{2\× 96 , 485\ {\textrm {C/mol}}}}=1,48 V}}.

Napěťové ztrátyEdit

Výkonnost elektrolýzních článků, stejně jako palivových článků, se obvykle porovnává vynesením jejich polarizačních křivek, které se získají vynesením napětí článku proti proudové hustotě. Primární zdroje zvýšeného napětí v PEM elektrolyzéru (totéž platí i pro PEM palivové články) lze rozdělit do tří hlavních oblastí: Ohmické ztráty, aktivační ztráty a ztráty transportem hmoty. Vzhledem k obrácenému způsobu provozu mezi PEM palivovým článkem a PEM elektrolyzérem se míra vlivu těchto různých ztrát u obou procesů liší.

V článek = E + V akt + V trans + V ohm {\displaystyle V_{\textrm {článek}}=E+V_{\textrm {akt}}+V_{\textrm {trans}}+V_{\textrm {ohm}}}}}

Výkonnost systému elektrolýzy PEM se obvykle porovnává vynesením grafu přepotenciálu v závislosti na proudové hustotě článků. Výsledkem je v podstatě křivka, která představuje výkon na centimetr čtvereční plochy článku potřebný k výrobě vodíku a kyslíku. Na rozdíl od palivového článku PEM platí, že čím lepší je elektrolyzér PEM, tím nižší je napětí článku při dané proudové hustotě. Na následujícím obrázku je výsledek simulace z Forschungszentrum Jülich pro jednočlánkový PEM elektrolyzér o ploše 25 cm2 v termoneutrálním provozu, který znázorňuje hlavní zdroje napěťových ztrát a jejich příspěvky pro různé proudové hustoty.

Ohmické ztrátyEdit

Ohmické ztráty jsou elektrický nadpotenciál vnášený do procesu elektrolýzy vnitřním odporem součástí článku. Tato ztráta pak vyžaduje dodatečné napětí k udržení elektrolýzní reakce, předpověď této ztráty se řídí Ohmovým zákonem a má lineární vztah k proudové hustotě provozního elektrolyzéru.

V = I ⋅ R {\displaystyle V=I\cdot R}

Ztráty energie způsobené elektrickým odporem nejsou zcela ztraceny. Úbytek napětí v důsledku odporu je spojen s přeměnou elektrické energie na energii tepelnou prostřednictvím procesu známého jako Jouleův ohřev. Velká část této tepelné energie je odváděna s přívodem reakční vody a ztrácí se do okolního prostředí, avšak malá část této energie je následně znovu získána jako tepelná energie v procesu elektrolýzy. Množství tepelné energie, které lze zpětně získat, závisí na mnoha aspektech provozu systému a konstrukci článku.

Q ∝ I 2 ⋅ R {\displaystyle Q\propto I^{2}\cdot R}

Ohmické ztráty způsobené vedením protonů přispívají ke ztrátě účinnosti, která se rovněž řídí Ohmovým zákonem, avšak bez Joulova ohřevu. Vodivost protonů v PEM je velmi závislá na hydrataci, teplotě, tepelném zpracování a iontovém stavu membrány.

Faradaické ztráty a crossoverEdit

Faradaické ztráty popisují ztráty účinnosti, které souvisejí s proudem, který je dodáván, aniž by vedl k vodíku na výstupu katodického plynu. Vzniklý vodík a kyslík mohou prostupovat přes membránu, což se označuje jako crossover. Vznikají směsi obou plynů na elektrodách. Na katodě může kyslík katalyticky reagovat s vodíkem na platinovém povrchu katodického katalyzátoru. Na anodě vodík a kyslík na katalyzátoru z oxidu iridia nereagují. Může tak dojít k ohrožení bezpečnosti v důsledku výbušných anodických směsí vodíku s kyslíkem. Dodaná energie pro výrobu vodíku se ztrácí, když se vodík ztrácí v důsledku reakce s kyslíkem na katodě a tomu odpovídá i prostup z katody přes membránu na anodu. Poměr množství ztraceného a vyrobeného vodíku tedy určuje faradické ztráty. Při tlakovém provozu elektrolyzéru se zvyšuje křížení a s tím související faradické ztráty.

Stlačování vodíku při elektrolýze vodyEdit

Vývoj vodíku v důsledku tlakové elektrolýzy je srovnatelný s procesem izotermické komprese, který je z hlediska účinnosti výhodnější než mechanická izotropní komprese. Příspěvky výše zmíněných faradických ztrát však rostou s pracovními tlaky. Pro výrobu stlačeného vodíku je tedy třeba uvažovat o kompresi in situ během elektrolýzy a následné kompresi plynu z hlediska účinnosti.

.