En elektrolysator är en elektrokemisk anordning för att omvandla elektricitet och vatten till väte och syre, dessa gaser kan sedan användas som ett sätt att lagra energi för senare användning. Denna användning kan sträcka sig från stabilisering av elnätet från dynamiska elektriska källor som vindkraftverk och solceller till lokaliserad vätgasproduktion som bränsle för bränslecellsfordon. PEM-elektrolysatorn använder en fast polymerelektrolyt (SPE) för att leda protoner från anoden till katoden samtidigt som elektroderna isoleras elektriskt. Under standardförhållanden är den entalpi som krävs för vattenbildning 285,9 kJ/mol. En del av den energi som krävs för en hållbar elektrolysreaktion tillhandahålls genom termisk energi och resten genom elektrisk energi.

ReactionsEdit

Det faktiska värdet för öppen krets spänning för en fungerande elektrolysator kommer att ligga mellan 1,23 V och 1,48 V beroende på hur cellens/stackens utformning utnyttjar den termiska energin. Detta är dock ganska svårt att bestämma eller mäta eftersom en fungerande elektrolyser också upplever andra spänningsförluster från interna elektriska motstånd, protonernas konduktivitet, masstransport genom cellen och katalysatorutnyttjande för att nämna några.

AnodreaktionRedigera

Den halva reaktionen som äger rum på anodsidan av en PEM-elektrolyser brukar kallas syreutvecklingsreaktion (OER). Här tillförs den flytande vattenreaktanten till katalysatorn där det tillförda vattnet oxideras till syre, protoner och 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^-}}}}

KatodreaktionRedigera

Den halva reaktionen som äger rum på katodsidan av en PEM-elektrolyser kallas vanligen för vätgasutvecklingsreaktion (HER). Här kombineras de tillförda elektronerna och protonerna som har leds genom membranet för att skapa gasformigt väte.

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

Illustrationen nedan visar en förenkling av hur PEM-elektrolys fungerar, och visar de enskilda halvreaktionerna tillsammans tillsammans med den fullständiga reaktionen i en PEM-elektrolysator. I det här fallet är elektrolysatorn kopplad till en solpanel för produktion av vätgas, men solpanelen skulle kunna ersättas med vilken elkälla som helst.

Termodynamikens andra lagRedigera

Enligt termodynamikens andra lag är reaktionsenthalpin:

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

Varför Δ G {\displaystyle \Delta G}

är Gibbs fria energi för reaktionen, T {\displaystyle T}

är reaktionens temperatur och Δ S {\displaystyle \Delta S}

är förändringen av systemets entropi.

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

Den totala cellreaktionen med termodynamiska energitillskott blir då:

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

De termiska och elektriska insatserna som visas ovan representerar den minsta energimängd som kan tillföras av elektricitet för att uppnå en elektrolysereaktion. Om man antar att den maximala mängden värmeenergi (48,6 kJ/mol) tillförs reaktionen, blir den reversibla cellspänningen V rev 0 {\displaystyle V_{\textrm {rev}}^{0}}}

kan beräknas.

Spänning vid öppen krets (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\times 96,485\ {\textrm {C/mol}}}}=1.23V}

varvid n {\displaystyle n}

är antalet elektroner och F {\displaystyle F}

är Faradays konstant. Beräkningen av cellspänningen under förutsättning att det inte finns några irreversibiliteter och att all värmeenergi utnyttjas av reaktionen kallas det lägre värmevärdet (LHV). Den alternativa formuleringen, som använder det högre värmevärdet (HHV), beräknas genom att anta att all energi för att driva elektrolysreaktionen tillförs av den elektriska komponenten av den erforderliga energin, vilket resulterar i en högre reversibel cellspänning. När HHV används kallas spänningsberäkningen för den termoneutrala spänningen.

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\times 96,485\ {\textrm {C/mol}}}}=1.48V}

SpänningsförlusterEdit

Prestationen hos elektrolysceller, liksom bränsleceller, jämförs vanligen genom att plotta deras polariseringskurvor, som erhålls genom att plotta cellspänningen mot strömtätheten. De primära källorna till ökad spänning i en PEM-elektrolysator (detsamma gäller även för PEM-bränsleceller) kan kategoriseras i tre huvudområden, ohmska förluster, aktiveringsförluster och masstransportförluster. På grund av den omvända driften mellan en PEM-bränslecell och en PEM-elektrolyser är graden av påverkan för dessa olika förluster olika mellan de två processerna.

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

Prestandan hos ett PEM-elektrolysesystem jämförs vanligen genom att plotta överpotentialen mot cellernas strömtäthet. Detta resulterar i huvudsak i en kurva som representerar den effekt per kvadratcentimeter cellarea som krävs för att producera väte och syre. I motsats till PEM-bränslecellen gäller att ju bättre PEM-elektrolysatorn är, desto lägre är cellspänningen vid en given strömtäthet. Figuren nedan är resultatet av en simulering från Forschungszentrum Jülich av en 25 cm2 PEM-elektrolysator med en enda cell och termoneutral drift som visar de primära källorna till spänningsförlust och deras bidrag för en rad olika strömtätheter.

Ohmska förlusterRedigera

Ohmska förluster är en elektrisk överpotential som införs i elektrolysprocessen genom cellkomponenternas inre motstånd. Denna förlust kräver sedan en extra spänning för att upprätthålla elektrolysreaktionen, förutsägelsen av denna förlust följer Ohms lag och har ett linjärt förhållande till strömtätheten i den fungerande elektrolysatorn.

V = I ⋅ R {\displaystyle V=I\cdot R}

Energiförlusten på grund av det elektriska motståndet går inte helt förlorad. Spänningsfallet på grund av resistans är förknippat med omvandlingen av den elektriska energin till värmeenergi genom en process som kallas Joule-värme. En stor del av denna värmeenergi förs bort med reaktantvattentillförseln och går förlorad i miljön, men en liten del av denna energi återvinns sedan som värmeenergi i elektrolysprocessen. Mängden värmeenergi som kan återvinnas beror på många aspekter av systemets drift och cellens utformning.

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

De ohmska förlusterna på grund av protonernas ledning bidrar till effektivitetsförlusten som också följer Ohms lag, dock utan Joulevärmeeffekten. PEM:s protonledningsförmåga är mycket beroende av membranets hydrering, temperatur, värmebehandling och jonstatus.

Faradaiska förluster och crossoverEdit

Faradaiska förluster beskriver de effektivitetsförluster som är korrelerade till strömmen, som tillförs utan att leda till vätgas vid det katodiska gasutloppet. Den producerade vätgasen och syret kan permeera genom membranet, vilket kallas crossover. Blandningar av båda gaserna vid elektroderna blir resultatet. Vid katoden kan syre katalytiskt reagera med väte på platinaytan i den katodiska katalysatorn. Vid anoden reagerar väte och syre inte på iridiumoxidkatalysatorn. Det kan därför uppstå säkerhetsrisker på grund av explosiva anodiska blandningar av väte och syre. Den tillförda energin för vätgasproduktionen går förlorad när vätgasen går förlorad på grund av reaktionen med syre vid katoden och permeationen från katoden genom membranet till anoden. Förhållandet mellan mängden förlorat och producerat vätgas bestämmer därför de faradaiska förlusterna. Vid trycksatt drift av elektrolysatorn ökar övergången och de korrelerade faradaiska effektivitetsförlusterna.

Vätgaskompression under vattenelektrolysEdit

Vätgasutvecklingen till följd av trycksatt elektrolys är jämförbar med en isotermisk komprimeringsprocess, som i fråga om effektivitet är att föredra jämfört med mekanisk isotropisk komprimering. Bidragen från de tidigare nämnda faradaförlusterna ökar dock med arbetstrycket. För att producera komprimerat vätgas måste därför kompressionen på plats under elektrolysen och den efterföljande kompressionen av gasen övervägas med tanke på effektiviteten.