De nieuwe lieveling van waterstofenergie: hoe een legering van ijzer en nikkel de productie van waterstof elektrolysers een nieuwe vorm geeft

1. Het nieuwe tijdperk van waterstof

Sinds de ontdekking ervan in de 16e eeuw wordt waterstof beschouwd als een belangrijke, schone energiebron vanwege de overvloed ervan, de hoge energiedichtheid en de groene, koolstofarme eigenschappen.

Waterstofproductieprocessen worden momenteel op basis van hun CO2-uitstoot gecategoriseerd in grijze waterstof, blauwe waterstof en groene waterstof. Groene waterstof, geproduceerd door elektrolyse van water met behulp van hernieuwbare energie, stoot geen broeikasgassen of schadelijke stoffen uit en heeft een hoge zuiverheid. Het is de schoonste methode voor waterstofproductie en vertegenwoordigt de belangrijkste toekomstige richting voor waterstofenergie.

Groene waterstof wordt voornamelijk verkregen viawaterelektrolyse, waarbij een elektrolyser water splitst in waterstof en zuurstof. Er zijn momenteel vier belangrijke elektrolysertechnologieën: ALK (alkaline water electrolysis), PEM (proton exchange membrane electrolysis), SOEC (solid oxide electrolysis cell) en AEM (solid polymer a electrolysis).In(over uitwisselingsmembraanelektrolyse).

In de context van wereldwijde koolstofneutraliteit is groene waterstof onmiskenbaar een sleutelgebied geworden in de energietransitie. Het vermogen van elektrolysetechnologie om de kosten verder te verlagen en de efficiëntie te verhogen, is cruciaal voor toekomstig succes in dit essentiële gebied.

2. De steunpilaar: alkalische elektrolysers

ALK (alkaline water electrolysis) voor waterstofproductie vindt plaats in een alkalische elektrolytomgeving, meestal met behulp van KOH- of NaOH-oplossingen. Het grootste voordeel van deze elektrolysetechnologie is dat zowel de anode- als de kathodeplaten geen kostbare mineralen bevatten.Metaals, wat resulteert in de laagste kosten voor elektrolyzers. Bovendien is dit type elektrolyzer commercieel het meest volwassen, met uitgebreide operationele ervaring, en domineert het de markt. De belangrijkste prestatie-indicatoren van sommige binnenlandse kritische apparatuur hebben internationaal geavanceerde niveaus bereikt en bieden grootschalige waterstofproductie per cel, waardoor ze gemakkelijk aanpasbaar zijn voor elektrolyse op netstroom.

Een alkalische elektrolyser bestaat voornamelijk uit componenten zoals eindplaten, pakkingen, bipolaire platen,ElektrodePlaten en membranen. De elektrolyser bestaat uit tientallen of zelfs honderden elektrolysecellen, die met schroeven en eindplaten tegen elkaar worden gedrukt tot een cilindrische of vierkante vorm. Elke elektrolysecel, afgebakend door twee aangrenzende platen, bestaat uit zes onderdelen: positieve en negatieve bipolaire platen, een anode, een diafragma, een afdichting en een kathode.

Cruciaal is dat de elektrode van de alkalische elektrolyzer de plaats is waar elektrochemische reacties plaatsvinden en cruciaal is voor het bepalen van de efficiëntie van de waterstofproductie van de elektrolyzer. De meeste elektroden die in grote huishoudelijke alkalische elektrolyzers worden gebruikt, zijn op nikkel gebaseerd, zoals zuiver nikkelgaas, schuimnikkel of zuiver nikkelgaas/schuimnikkelsubstraten gecoat met zeer actieve katalysatoren. Schuimnikkel is een goedkoop en volwassen product. Het elektrodemateriaal is gevuld met talrijke microporiën, wat zorgt voor een enorm oppervlak. Dit vergroot het contactoppervlak tussen de oplossing en de elektrode aanzienlijk, verkort de stofoverdrachtsafstand en verbetert de efficiëntie van de elektrolysereactie aanzienlijk.

Schuimijzer-nikkellegeringsmateriaalpresteert beter dan traditionele nikkelmaterialen, biedt meer actieve zuurstofontwikkelingsplaatsen en heeft een aanzienlijk hogere katalytische efficiëntie. Het is een "meesterzet" voor alkalische waterelektrolyse om verder te doorbreken en te verbeteren. Volgens gezaghebbende tests is de efficiëntie van alkalische waterelektrolyse met ijzer-nikkelschuim, onder reële bedrijfsomstandigheden, superieur aan die van traditioneel nikkelgaas. Gebaseerd op actueel nationaal en internationaal baanbrekend onderzoek, kan het DC-energieverbruik slechts 4,0-4,3 kWh/standaard kubieke meter bedragen, met een energie-efficiëntie van 80-85%.

3. De dageraad van AEM-elektrolyzers

Waterelektrolyse met behulp van een vast polymeeranionenuitwisselingsmembraan (AEM) is een waterstofproductieproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een goedkoper anionenuitwisselingsmembraan als scheider, een laaggeconcentreerde alkalische oplossing of zuiver water als elektrolyt en niet-edele metaalkatalysatoren voor de reactie.

Bij AEM-elektrolysers bestaat de anode doorgaans uit overgangsmetaaloxiden (bijvoorbeeld nikkeloxide, kobaltoxide), terwijl de kathode doorgaans is gemaakt van edelmetalen of hun legeringen, zoals nikkel, platina of palladium.

De reactie aan de anode is: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O De reactie aan de kathode is: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

De hier genoemde 4OH− zijn de anionen die in dit proces de nadruk krijgen. Onder invloed van het anionenuitwisselingsmembraan kan de aan de kathode geproduceerde OH− naar de anode migreren, waardoor de OH−-concentratie aan de anodezijde toeneemt, wat leidt tot meer zuurstof- en waterproductie aan de anode. Dit resulteert van nature in een zuiverder waterstofproduct aan de kathode.

De primaire rol van de kathode- en anodematerialen is het katalyseren van de watersplitsingsreactie en het efficiënt afvoeren van de geproduceerde waterstof en zuurstof. Daarom moeten zowel de kathode- als anodematerialen een sterke katalytische activiteit en porositeit bezitten. Voor een soepel verloop van elektrodereacties moeten de kathode- en anodematerialen ook een hoge anion- en elektronengeleidbaarheid hebben.

De meest gebruikte kathodematerialen zijn momenteel nikkellegeringen, en de anodematerialen voornamelijk nikkel-ijzerlegeringen. IJzer en nikkel vertonen niet alleen een sterke katalytische activiteit voor watersplitsing, maar zijn ook overal verkrijgbaar en goedkoop. Omdat AEM niet in zeer corrosieve omgevingen werkt, zijn er geen edelmetaalkatalysatoren zoals iridium of titanium nodig in de anode- en kathodematerialen. Dit verlaagt de productiekosten van AEM-apparatuur aanzienlijk en de prestaties doen niet onder voor die van PEM-technologie, waardoor het wereldwijd de belangrijkste richting is voor nieuw ontwikkelde waterstofelektrolysers.

4. Meerijden op de golf: de opkomst vanSchuimijzer-nikkel

Of het nu gaat om de huidige gangbare ALK-technologie (alkalische elektrolyse) of de opkomende AEM-technologie: schuimijzer-nikkel biedt unieke toepassingsvoordelen en brede perspectieven.

Materiaaleigenschappen: revolutionair 3D-meshontwerp

• Ultrahoog specifiek oppervlak:Met poriegroottes variërend van 20-450 μm en een porositeit van ≥ 98% is het actieve oppervlak honderden keren groter dan dat van vlakke elektroden. Dit verhoogt de reactiesnelheid aanzienlijk, vergroot het contactoppervlak tussen de oplossing en de elektrode aanzienlijk, verkort de massaoverdrachtsafstand en verbetert de efficiëntie van de elektrolysereactie aanzienlijk.
• Effectieve katalyseHet oppervlak van ijzer-nikkelschuim is bedekt met nikkel- en ijzergebaseerde katalysatoren. Deze katalysatoren ondersteunen de waterelektrolysereactie, waarbij water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof.
• Structurele ondersteuning:De driedimensionale structuur van nikkelschuim biedt uitstekende ondersteuning en helpt de stabiliteit en structurele integriteit van de elektrode te behouden, waardoor een lange werking wordt gegarandeerd.
• Hoge geleidbaarheid:Zowel ijzer als nikkel zijn goede elektrische geleiders. De driedimensionale structuur van ijzer-nikkelschuim zorgt voor een groot oppervlak, wat de stroomverdeling bevordert.

Katalysatorlaagtoepassing

Momenteel omvatten elektrolyzerkatalysatorlagen voornamelijk deanodekatalysatorlaag (OER-CL)en dekathodekatalysatorlaag (HER-CL), die respectievelijk de zuurstofontwikkelingsreactie (OER) en de waterstofontwikkelingsreactie (HER) vergemakkelijken. Omdat zowel OER als HER kinetische inertheid vertonen, worden katalysatoren doorgaans op de elektroden geladen om de reactieactiviteit te verhogen en het energieverbruik te verlagen. Dit is de functie van de katalysatorlaag (CL). Omdat Ni-gebaseerde katalysatoren een hoge activiteit en uitstekende corrosiebestendigheid in alkalische media vertonen, en stabieler zijn dan andere overgangsmetalen (zoals Fe, Co), worden ze veel gebruikt als OER- en HER-katalysatoren. Vanwege de hoge zuurstofaffiniteit heeft Fe de neiging OH−-species te adsorberen en wordt het daarom vaak gebruikt als een OER-kinetische promotor.Schuim nikkel-ijzerlegering materiaal, dat de eigenschappen van NiFe-metalen combineert, biedt aanzienlijke voordelen bij gebruik als anodemateriaal voor waterstofproductie.

Diffusielaagtoepassing

De gasdiffusielaag (GDL) wordt voornamelijk gebruikt voor gasdiffusie: waterstof aan de kathode en zuurstof aan de anode. Dankzij de metallische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid vergemakkelijkt het bovendien de elektronen- en warmteoverdracht, waardoor het bekend staat als de poreuze transportlaag (PTL). Momenteel wordt nikkelschuim veel gebruikt als diffusielaagmateriaal. Bovendien is hoogwaardig en kosteneffectief ijzer-nikkelschuim nu een voordeligere keuze.