Elektrolizer jest urządzeniem elektrochemicznym do przekształcania energii elektrycznej i wody w wodór i tlen, gazy te mogą być następnie wykorzystane jako środek do przechowywania energii do późniejszego wykorzystania. Zastosowanie to może obejmować od stabilizacji sieci elektrycznej z dynamicznych źródeł energii elektrycznej, takich jak turbiny wiatrowe i ogniwa słoneczne do lokalnej produkcji wodoru jako paliwa dla pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Elektrolizer PEM wykorzystuje stały elektrolit polimerowy (SPE) do przewodzenia protonów z anody do katody, jednocześnie izolując elektrycznie elektrody. W warunkach standardowych entalpia potrzebna do wytworzenia wody wynosi 285,9 kJ/mol. Część energii wymaganej do podtrzymania reakcji elektrolizy jest dostarczana przez energię cieplną, a pozostała część przez energię elektryczną.

ReactionsEdit

Faktyczna wartość napięcia obwodu otwartego działającego elektrolizera będzie leżeć pomiędzy 1,23 V a 1,48 V, w zależności od tego, jak ogniwo/układ wykorzystuje energię cieplną. Jest to jednak dość trudne do określenia lub zmierzenia, ponieważ działający elektrolizer doświadcza również innych strat napięcia wynikających z wewnętrznych oporów elektrycznych, przewodnictwa protonów, transportu masy przez ogniwo i wykorzystania katalizatora, aby wymienić tylko kilka z nich.

Reakcja anodowaEdit

Półreakcja zachodząca po stronie anodowej elektrolizera PEM jest powszechnie określana jako reakcja ewolucji tlenowej (OER). Tutaj ciekły reagent woda jest dostarczany do katalizatora, gdzie dostarczona woda jest utleniana do tlenu, protonów i elektronów.

2 H 2 O ( l ) ⟶ O 2 ( g ) + 4 H + ( aq ) + 4 e – {}}

Reakcja katodowaEdit

Półreakcja zachodząca po stronie katodowej elektrolizera PEM jest powszechnie określana jako reakcja wydzielania wodoru (HER). Tutaj dostarczone elektrony i protony, które przeszły przez membranę, łączą się, tworząc gazowy wodór.

4 H + ( aq ) + 4 e – ⟶ 2 H 2 ( g ) {}}

Niniejsza ilustracja przedstawia uproszczenie działania elektrolizy PEM, pokazując poszczególne półreakcje razem wraz z kompletną reakcją elektrolizera PEM. W tym przypadku elektrolizer jest sprzężony z panelem słonecznym do produkcji wodoru, jednak panel słoneczny może być zastąpiony dowolnym źródłem energii elektrycznej.

Drugie prawo termodynamikiEdit

Zgodnie z drugim prawem termodynamiki entalpia reakcji wynosi:

Δ H = Δ G ⏟ elek. + T Δ S ⏟ ciepło {displaystyle ΔDelta H= ΔDelta G} _{textrm {elektr.}} + {{underbrace {T ΔDelta S}} _{textrm {heat}}.

Gdzie Δ G {{textrm {delta G}}

jest swobodną energią Gibbsa reakcji, T {displaystyle T}

oznacza temperaturę reakcji, a Δ S {Delta S}

to zmiana entropii układu.

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

Ogólna reakcja komórkowa z termodynamicznymi nakładami energetycznymi staje się wtedy:

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

Wejścia termiczne i elektryczne przedstawione powyżej reprezentują minimalną ilość energii, która może być dostarczona przez energię elektryczną w celu uzyskania reakcji elektrolizy. Zakładając, że do reakcji dostarczana jest maksymalna ilość energii cieplnej (48,6 kJ/mol), napięcie ogniwa odwracalnego V rev 0 {{displaystyle V_{textrm {rev}}^{0}}

można obliczyć.

Napięcie obwodu otwartego (OCV)Edycja

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}dot F}}={{{frac {237 kJ/mol}}}{2 razy 96,485 C/mol}}}}=1,23V}.

gdzie n {{displaystyle n}

jest liczbą elektronów, a F {displaystyle F}

jest stałą Faradaya. Obliczenie napięcia ogniwa przy założeniu, że nie występują nieodwracalności i cała energia cieplna jest wykorzystywana przez reakcję, jest określane jako dolna wartość opałowa (LHV). Alternatywna formuła, wykorzystująca wyższą wartość opałową (HHV), jest obliczana przy założeniu, że cała energia napędzająca reakcję elektrolizy jest dostarczana przez składnik elektryczny wymaganej energii, co skutkuje wyższym odwracalnym napięciem ogniwa. W przypadku stosowania HHV obliczenie napięcia jest określane jako napięcie termoneutralne.

V th 0 = Δ H 0 n ⋅ F = 285,9 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.48 V {{displaystyle V_{tekstrm {th}}^{0}={{delta H^{0}}{n} F}}={{tekstrm {285,9 kJ/mol}}}{2 razy 96,485 C/mol}}}}=1,48V}.

Straty napięciaEdit

Wydajność ogniw elektrolizy, podobnie jak ogniw paliwowych, są zwykle porównywane przez wykreślenie ich krzywych polaryzacji, które uzyskuje się przez wykreślenie napięcia ogniwa względem gęstości prądu. Podstawowe źródła wzrostu napięcia w elektrolizerze PEM (to samo dotyczy również ogniw paliwowych PEM) można podzielić na trzy główne obszary: straty omowe, straty aktywacji i straty transportu masy. Ze względu na odwrócenie sposobu działania pomiędzy ogniwem paliwowym PEM a elektrolizerem PEM, stopień wpływu tych różnych strat jest różny dla tych dwóch procesów.

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

Wydajność systemu elektrolizy PEM jest zwykle porównywana poprzez wykreślenie nadpotencjału w stosunku do gęstości prądu w ogniwie. Zasadniczo daje to krzywą, która przedstawia moc na centymetr kwadratowy powierzchni ogniwa wymaganą do produkcji wodoru i tlenu. Odwrotnie niż w przypadku ogniwa PEM, im lepszy elektrolizer PEM, tym niższe napięcie ogniwa przy danej gęstości prądu. Poniższy rysunek jest wynikiem symulacji przeprowadzonej przez Forschungszentrum Jülich dla pojedynczego ogniwa PEM o powierzchni 25 cm2 w trybie termoneutralnym, przedstawiającej główne źródła strat napięcia i ich udział dla różnych gęstości prądu.

Straty omoweEdit

Straty omowe są elektrycznym nadpotencjałem wprowadzanym do procesu elektrolizy przez opór wewnętrzny elementów ogniwa. Straty te wymagają następnie dodatkowego napięcia do podtrzymania reakcji elektrolizy, przewidywanie tych strat jest zgodne z prawem Ohma i posiada liniową zależność od gęstości prądu pracującego elektrolizera.

V = I ⋅ R {{displaystyle V=I ⋅ R}}

Straty energii wynikające z oporu elektrycznego nie są całkowicie tracone. Spadek napięcia spowodowany rezystywnością jest związany z zamianą energii elektrycznej na energię cieplną w procesie znanym jako ogrzewanie Joule’a. Duża część tej energii cieplnej jest przenoszona wraz z wodą reakcyjną i tracona do otoczenia, jednakże niewielka część tej energii jest odzyskiwana jako energia cieplna w procesie elektrolizy. Ilość energii cieplnej, którą można odzyskać, zależy od wielu aspektów działania systemu i konstrukcji ogniwa.

Q ∝ I 2 ⋅ R {{displaystyle Q ∝ I^{2} ⋅ R}

Straty omowe spowodowane przewodzeniem protonów przyczyniają się do utraty sprawności, która również wynika z prawa Ohma, jednak bez efektu grzania Joule’a. Przewodnictwo protonów w PEM jest bardzo zależne od uwodnienia, temperatury, obróbki cieplnej i stanu jonowego membrany.

Straty faradyczne i krzyżowanieEdit

Straty faradyczne opisują straty wydajności, które są skorelowane z prądem, który jest dostarczany bez doprowadzania do wodoru na katodowym wylocie gazu. Wytworzony wodór i tlen mogą przenikać przez membranę, co określa się mianem crossover. W rezultacie na elektrodach powstają mieszaniny obu gazów. Na katodzie tlen może ulegać katalitycznej reakcji z wodorem na platynowej powierzchni katalizatora katodowego. Na anodzie wodór i tlen nie reagują na katalizatorze z tlenku irydu. W związku z tym mogą wystąpić zagrożenia bezpieczeństwa związane z wybuchowymi anodowymi mieszaninami wodoru z tlenem. Energia dostarczona do produkcji wodoru jest tracona, gdy wodór jest tracony w wyniku reakcji z tlenem na katodzie i przenikania z katody przez membranę do anody. Stąd, stosunek ilości traconego i produkowanego wodoru określa straty faradyczne. Przy ciśnieniowej pracy elektrolizera zwrotnica i skorelowane z nią straty wydajności faradycznej wzrastają.

Sprężanie wodoru podczas elektrolizy wodyEdit

Wydzielanie wodoru w wyniku ciśnieniowej elektrolizy jest porównywalne z izotermicznym procesem sprężania, który pod względem wydajności jest korzystniejszy od mechanicznego sprężania izotropowego. Jednakże, udział wspomnianych wcześniej strat faradycznych wzrasta wraz z ciśnieniem roboczym. Tak więc, w celu produkcji sprężonego wodoru, sprężanie in-situ podczas elektrolizy i późniejsze sprężanie gazu musi być rozważane pod kątem wydajności.