En elektrolyser er en elektrokemisk anordning til at omdanne elektricitet og vand til brint og ilt, og disse gasser kan derefter bruges som et middel til at lagre energi til senere brug. Denne anvendelse kan spænde fra stabilisering af elnettet fra dynamiske elektriske kilder som vindmøller og solceller til lokaliseret brintproduktion som brændstof til brændselscellekøretøjer. PEM-elektrolysen anvender en fast polymerelektrolyt (SPE) til at lede protoner fra anoden til katoden og samtidig isolere elektroderne elektrisk. Under standardbetingelser er den enthalpi, der kræves for dannelse af vand, 285,9 kJ/mol. En del af den nødvendige energi til en vedvarende elektrolysereaktion leveres af termisk energi og resten af elektrisk energi.

ReaktionerRediger

Den faktiske værdi for åben kredsløbsspænding for en fungerende elektrolyser vil ligge mellem 1,23 V og 1,48 V, afhængigt af hvordan celle/stakdesignet udnytter den termiske energiindgang. Dette er dog ret vanskeligt at bestemme eller måle, fordi en elektrolyser i drift også oplever andre spændingstab fra interne elektriske modstande, protonernes ledningsevne, massetransport gennem cellen og katalysatorudnyttelse for blot at nævne nogle få.

AnodereaktionRediger

Den halvreaktion, der finder sted på anodesiden af en PEM-elektrolyser, kaldes almindeligvis for Oxygen Evolution Reaction (OER). Her tilføres den flydende vandreaktant til katalysatoren, hvor det tilførte vand oxideres til ilt, protoner og elektroner.

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

KatodereaktionRediger

Den halvreaktion, der finder sted på katodensiden af en PEM-elektrolyser, kaldes almindeligvis for Hydrogen Evolution Reaction (HER). Her kombineres de tilførte elektroner og de protoner, der er ført gennem membranen, for at skabe gasformigt brint.

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

I illustrationen nedenfor viser en forenkling af, hvordan PEM-elektrolyse fungerer, og viser de enkelte halvreaktioner sammen med den komplette reaktion i en PEM-elektrolyser. I dette tilfælde er elektrolysen koblet sammen med et solpanel til produktion af brint, men solpanelet kan dog erstattes med en hvilken som helst elkilde.

Termodynamikkens anden lovRediger

Som følge af termodynamikkens anden lov er reaktionens enthalpi:

Δ H = Δ G ⏟ elec. + T Δ S ⏟ varme {\displaystyle \Delta H=\underbrace {\Delta G} _{\textrm {elec.}}+\underbrace {T\Delta S} _{\textrm {heat}}}}

Hvor Δ G {\displaystyle \Delta G}

er den frie Gibbs-energi for reaktionen, T {\displaystyle T}

er temperaturen for reaktionen og Δ S {\displaystyle \Delta S}

er ændringen i systemets entropi.

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

Den samlede cellereaktion med termodynamiske energitilførsler bliver så:

H 2 O ( l ) → + 48.6 kJ / mol ⏟ varme + 237.2 kJ / mol ⏞ elektricitet H 2 + 1 2 O 2 {\displaystyle {\ce {\ce {H2O(l)->{H2}+1/2O2}}}

De termiske og elektriske input, der er vist ovenfor, repræsenterer den minimale energimængde, der kan tilføres af elektricitet for at opnå en elektrolysereaktion. Hvis man antager, at den maksimale mængde varmeenergi (48,6 kJ/mol) tilføres reaktionen, vil den reversible cellespænding V rev 0 {\displaystyle V_{\textrm {rev}}^{0}}}

kan beregnes.

Åben kredsløbsspænding (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\ gange 96,485\ {\textrm {C/mol}}}}=1,23V}

hvor n {\displaystyle n}

er antallet af elektroner og F {\displaystyle F}

er Faradays konstant. Beregningen af cellespændingen under antagelse af, at der ikke findes irreversibiliteter, og at al termisk energi udnyttes af reaktionen, kaldes den lavere varmeværdi (LHV). Den alternative formulering, der anvender den højere varmeværdi (HHV), beregnes under forudsætning af, at al den energi, der skal drive elektrolysereaktionen, leveres af den elektriske komponent af den krævede energi, hvilket resulterer i en højere reversibel cellespænding. Når der anvendes HHV, betegnes spændingsberegningen som den termoneutrale spænding.

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\ gange 96,485\ {\textrm {C/mol}}}}=1,48V}

SpændingstabRediger

Effektiviteten af elektrolyseceller, ligesom brændselsceller, sammenlignes typisk ved at plotte deres polariseringskurver, som fås ved at plotte cellespændingen mod strømtætheden. De primære kilder til øget spænding i en PEM-elektrolyser (det samme gælder også for PEM-brændselsceller) kan inddeles i tre hovedområder, nemlig ohmske tab, aktiveringstab og massetransporttab. På grund af den omvendte drift mellem en PEM-brændselscelle og en PEM-elektrolyser er graden af påvirkning for disse forskellige tab forskellig mellem de to processer.

V celle = E + V act + V trans + V ohm {\displaystyle V_{\textrm {cell}}=E+V_{\textrm {act}}+V_{\textrm {trans}}+V_{\textrm {ohm}}}

Effektiviteten af et PEM-elektrolysesystem sammenlignes typisk ved at plotte overpotentialet over for cellens strømtæthed. Dette resulterer i det væsentlige i en kurve, der repræsenterer den effekt pr. kvadratcentimeter celleareal, der kræves for at producere brint og ilt. I modsætning til PEM-brændselscellen gælder det, at jo bedre PEM-elektrolysen er, jo lavere er cellespændingen ved en given strømtæthed. Figuren nedenfor er resultatet af en simulering fra Forschungszentrum Jülich af en 25 cm2 PEM-elektrolyser med enkeltcelle i termoneutral drift, som viser de primære kilder til spændingstab og deres bidrag for en række forskellige strømtætheder.

Ohmsk tabRediger

Ohmsk tab er et elektrisk overpotentiale, der indføres i elektrolyseprocessen som følge af den interne modstand i cellekomponenterne. Dette tab kræver så en ekstra spænding for at opretholde elektrolysereaktionen, og forudsigelsen af dette tab følger Ohm’s lov og har en lineær sammenhæng med strømtætheden i den fungerende elektrolyser.

V = I ⋅ R {\displaystyle V=I\cdot R}

Energitabet som følge af den elektriske modstand er ikke helt tabt. Spændingsfaldet som følge af modstanden er forbundet med omdannelsen af den elektriske energi til varmeenergi gennem en proces, der kaldes Joule-opvarmning. En stor del af denne varmeenergi transporteres væk med reaktantvandtilførslen og går tabt til miljøet, men en lille del af denne energi genindvindes derefter som varmeenergi i elektrolyseprocessen. Mængden af varmeenergi, der kan genindvindes, afhænger af mange aspekter af systemets drift og celledesign.

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

Det ohmske tab som følge af ledning af protoner bidrager til tabet af effektivitet, som også følger Ohm’s lov, dog uden Joule-varmeeffekten. PEM’ens protonledningsevne er meget afhængig af membranens hydrering, temperatur, varmebehandling og ioniske tilstand.

Faradaiske tab og crossoverRediger

Faradaiske tab beskriver de effektivitetstab, der er korreleret med den strøm, der tilføres uden at føre til brint ved katodisk gasudgang. Den producerede brint og ilt kan permeere på tværs af membranen, hvilket betegnes som crossover. Der opstår blandinger af begge gasser ved elektroderne. Ved katoden kan ilt reageres katalytisk med brint på platinoverfladen af den katodiske katalysator. Ved anoden reagerer hydrogen og oxygen ikke på iridiumoxidkatalysatoren. Der kan derfor opstå sikkerhedsrisici som følge af eksplosive anodiske blandinger af brint og ilt. Den tilførte energi til brintproduktionen går tabt, når brint går tabt som følge af reaktionen med ilt ved katoden og permeation fra katoden over membranen til anoden. Forholdet mellem mængden af tabt og produceret brint er derfor afgørende for faradetabene. Ved elektrolyserens drift under tryk øges overgangen og de korrelerede faradiske effektivitetstab.

Videre

Hydrogenudvikling som følge af elektrolyse under tryk er sammenlignelig med en isotermisk kompressionsproces, som med hensyn til effektivitet er at foretrække i forhold til mekanisk isotropisk kompression. Bidragene fra de førnævnte faradiske tab stiger imidlertid med driftstrykket. For at fremstille komprimeret brint skal den in-situ kompression under elektrolyse og den efterfølgende kompression af gassen derfor overvejes under hensyn til effektiviteten.