高分子電解質膜電解

5月 14, 2021

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電解槽は、電気と水を水素と酸素に変換する電気化学装置で、これらの気体は、後で使用するためのエネルギーを蓄積する手段として使用することができます。この用途は、風力タービンや太陽電池のような動的な電気源からの電力網の安定化から、燃料電池自動車の燃料としての局所的な水素生成まで、多岐にわたります。固体高分子電解質は、電極を電気的に絶縁しながら、陽極から陰極へプロトンを伝導させるために使用される。標準的な条件下では、水の生成に必要なエンタルピーは285.9kJ/molである。

ReactionsEdit

稼働中の電解槽の開路電圧の実際の値は、セル/スタック設計による熱エネルギーの利用方法に応じて 1.23 V から 1.48 V の間に位置します。

Anode reactionEdit

PEM電解槽の陽極側で起こる半分の反応は、一般に酸素発生反応（OER）と呼ばれる。ここで、液体の水の反応物は触媒に供給され、供給された水は酸素、プロトンおよび電子に酸化される。

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

ここで、水の反応は触媒で行われ、触媒に供給された水は、酸化され、プロトンおよび電子に酸化される。

${Displaystyle {ce {2 H2O (l) - O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e^-}}$

Cathode reactionEdit

PEM 電解槽のカソード側で起こっている半反応は一般的には水素発生（HER）と呼ばれるものである。）ここで、供給された電子と膜を通過したプロトンが結合して、気体の水素が生成されます。

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

${displaystyle {ce {4H+ (aq) + 4 e^- - 2H2 (g)}}$

下の図は、PEM 電解の仕組みを単純化して、PEM 電解槽の反応全体とともに個々の副反応を示しているものです。この場合、電解槽は水素製造のためにソーラーパネルと結合されていますが、ソーラーパネルはどのような電力源とも交換可能です。

PEM 電解槽セルと動作の基本原理を示すダイアグラム。

熱力学第二法則編集

熱力学第二法則により、反応のエンタルピーは：

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

$Delta H=Thunderbrace {ThunderDelta G}_{{{textrm {elec.}}}+underbrace {ThunderDelta S}_{{textrm {heat}}}$

Where Δ G { }displaystyle \Delta G} {{Thunderbrace {ThunderDelta S}}}{{{{textrm}}}}} {{{head}}}}

$Delta G$

は反応のギブス自由エネルギー、T {displaystyle T} 。

$T$

は反応温度、Δ S {displaystyle \Delta S} は反応温度です。

は系のエントロピーの変化量である。

H 2 O ( l ) + Δ H ⟶ H 2 + 1 2 O 2 {displaystyle {ce {H2O (l) + \Delta H -> H2 + 1/2 O2}}} は、系のエントロピー変化量である。

${Displaystyle {ce {H2O (l) + \Delta H - H2 + 1/2 O2}}$

The overall cell reaction with thermodynamic energy inputs then becomes:

H 2 O ( l ) → + 48.6 kJ / mol ⏟ heat + 237.2 kJ / mol ⏞ electricity H 2 + 1 2 O 2 {displaystyle {ce {H2O(l)->{H2}+1/2O2}}} {displaystyle {ce {H2O(l)->{H2}+1/2O2}} }} となる。

${Displaystyle {ce {H2O(l)-{H2}+1/2O2}}$

上に示した熱入力と電気入力は、電気分解反応を得るために必要な最低限の電気を供給するエネルギー量を示しています。最大量の熱エネルギー（48.6kJ/mol）が反応に供給されると仮定すると、可逆セル電圧V rev 0 {displaystyle V_{textrm {rev}}^{0}} は、以下のようになります。

$V_{{{Textrm {rev}}}^{0}$

が計算できる。

開回路電圧（OCV）編集

V rev 0 = Δ G 0 n ⋅ F = 237 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.23 V {displaystyle V_{theptrm {rev}}^{0}={theptfrac {thepta G^{0}}{ncdot F}}={theptfrac {237 {theptrm {kJ/mol}}{2times 96,485 {theptrm {C/mol}}}}=1.23V}} となる。

$V_{{Chentextrm {rev}}}^{0}={frac {Delta G^{0}}{ncdot F}}={frac {237}{Chentextrm {kJ/mol}}{2times 96,485}}=1.23V$

Where n {displaystyle n}

$n$

は電子の数、F{displaystyle F} は

$F$

はファラデー定数。不可逆性がなく、すべての熱エネルギーが反応に利用されると仮定した場合のセル電圧の計算を低位発熱量（LHV）という。一方、高位発熱量（HHV）は、電解反応を駆動するためのエネルギーはすべて必要なエネルギーのうち電気成分によって供給されると仮定し、可逆的なセル電圧を高くする計算方法であり、高位発熱量（HHV）は、電解反応を駆動するためのエネルギーはすべて必要なエネルギーのうち電気成分によって供給され、可逆的なセル電圧を高くする計算方法である。 HHVを使用する場合、電圧の計算は熱中性電圧と呼ばれる。

V th 0 = Δ H 0 n ⋅ F = 285.9 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.48 V {displaystyle V_{theptextrm {th}^{0}={Cfrac {Delta H^{0}}{ncdot F}}={Cfrac {285.9 {thextrm {kJ/mol}}}{2times 96,485 {thextrm {C/mol}}}}=1.48V} となる。｝

$V_{{Textrm {th}}}^{0}={frac {Delta H^{0}}{ncdot F}}={frac {285.9 {textrm {kJ/mol}}{2times 96,485 {textrm {C/mol}}}=1.0 %} {{frac {285.9{{textrm {h}}}}}}}=0.0 %{{frac {ncdot F}}}}=0.148V$

Voltage lossesEdit

燃料電池のような電気分解セルの性能は、通常、電流密度に対してセル電圧をプロットすることによって得られる、それらの分極曲線を比較することによって行われます。 PEM 電解槽における電圧上昇の主な原因は、オーミック損失、活性化損失、物質輸送損失の 3 つに分類されます (PEM 燃料電池も同様です)。 PEM 燃料電池と PEM 電解槽の動作が逆転しているため、これらのさまざまな損失の影響度は、2 つのプロセスで異なります。

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

$V_{{amentextrm {cell}}=E+V_{{amentextrm {act}}+V_{amentextrm {trans}}+V_{amentextrm {ohm}}}$

PEM 電解システムの性能は通常過電位を細胞の電流密度に対してプロットすることによって比較されます。これは本質的に、水素と酸素を生成するために必要なセル面積1平方センチメートルあたりの電力を表す曲線になります。 PEM燃料電池とは逆に、PEM電解槽が優れているほど、所定の電流密度におけるセル電圧は低くなります。下の図は、Forschungszentrum Jülichが行った、25cm2の単セルPEM電解槽の熱中性運転時のシミュレーションの結果で、様々な電流密度における電圧損失の主な原因とその寄与が描かれています。

Polarization curve depicting various losses attributes to PEM electrolysis cell operation.

Ohmic lossesEdit

Ohm loss is a electrical overpotential introduced to the electrolysis process by internal resistance of the cell components.Odistributed by the Pem electrolysis process. この損失は、電解反応を維持するために追加の電圧を必要とし、この損失の予測はオームの法則に従い、動作中の電解槽の電流密度に線形関係を保持します。

$V=Icdot R$

電気抵抗によるエネルギー損失は、完全に失われるわけではありません。抵抗による電圧降下は、ジュール熱として知られるプロセスを通じて、電気エネルギーが熱エネルギーに変換されることに関連しています。この熱エネルギーの多くは、反応水とともに流出し、環境中に失われますが、ごく一部は、電気分解の過程で熱エネルギーとして回収されます。再利用できる熱エネルギーの量は、システム運用とセル設計の多くの側面に依存します。

$Qpropto I^{2} Detcdot R$

The Ohmic loss due to conduction of protons contribution to the loss of efficiency which also followed Ohm’s law, however without Joule heating effect.

ファラディック損失とクロスオーバー編集

ファラディック損失は、カソードガス出口で水素につながることなく供給される電流に相関する効率損失を説明します。生成された水素と酸素は、クロスオーバーと呼ばれる膜を越えて透過することができる。その結果、電極で両方のガスが混合される。カソードでは、カソード触媒の白金表面で酸素が水素と触媒反応することができる。陽極では、酸化イリジウムの触媒で水素と酸素は反応しない。そのため、陽極では水素と酸素が爆発的に混ざり合い、安全性に問題が生じる可能性がある。また、カソードで酸素と反応し、カソードから膜を隔ててアノードまで透過する水素が失われると、水素製造のために供給したエネルギーが失われる。したがって、失われた水素と生成された水素の量の比がファラデーロスを決定する。

水電解中の水素圧縮編集

加圧電解による水素発生は等温圧縮プロセスと同等であり、機械的等温圧縮と比較して効率の点で好ましいとされる。しかし、前述したファラデー的損失の寄与は、作動圧力とともに増加する。したがって、圧縮水素を製造するためには、電解中のin-situ圧縮とその後のガスの圧縮を効率を考慮して熟考する必要がある

。