水素用水電解装置

電気分解は、再生可能資源および原子力資源からカーボンフリー水素を製造するための有望な選択肢です。 電気分解は、電気を使用して水を水素と酸素に分解するプロセスです。 この反応は電解槽と呼ばれる装置で行われます。 電解槽のサイズは、小規模の分散型水素製造に適した小型の家電サイズの装置から、再生可能または他の温室効果ガスを排出しない形式の水素に直接接続できる大規模な中央製造施設までさまざまです。電気の生産。

仕組み
燃料電池と同様に、電解槽は電解質によって分離されたアノードとカソードで構成されます。 電解槽が異なれば機能も異なりますが、これは主に関係する電解質材料の種類と、電解質が伝導するイオン種の違いによるものです。

高分子電解質膜型電解装置
高分子電解質膜 (PEM) 電解槽では、電解質は固体の特殊プラスチック材料です。

水はアノードで反応して酸素と正に帯電した水素イオン（プロトン）を形成します。
電子は外部回路を通って流れ、水素イオンは選択的に PEM を横切ってカソードに移動します。
カソードでは、水素イオンが外部回路からの電子と結合して水素ガスを形成します。 アノード反応: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- カソード反応: 4H+ + 4e- → 2H2

アルカリ電解槽
アルカリ電解槽は、水酸化物イオン (OH-) が電解質を通ってカソードからアノードに輸送され、カソード側で水素が生成されます。 水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムの液体アルカリ溶液を電解質として使用する電解槽は、長年にわたって市販されている。 固体アルカリ交換膜 (AEM) を電解質として使用する新しいアプローチは、実験室規模で有望であることが示されています。

固体酸化物電解装置
固体酸化物電解槽は、高温で負に帯電した酸素イオン (O2-) を選択的に伝導する固体セラミック材料を電解質として使用し、少し異なる方法で水素を生成します。
カソードの蒸気は外部回路からの電子と結合して、水素ガスとマイナスに帯電した酸素イオンを形成します。
酸素イオンは固体セラミック膜を通過し、アノードで反応して酸素ガスを形成し、外部回路用の電子を生成します。
固体酸化物電解槽は、固体酸化物膜が適切に機能するのに十分な温度 (約 700 〜 800 度) で作動する必要があります。これに対し、PEM 電解槽は 70 度〜 90 度で作動し、市販のアルカリ電解槽は通常 700 度〜 800 度未満で作動します。 100度）。 プロトン伝導性セラミック電解質をベースとした高度な実験室規模の固体酸化物電解槽は、動作温度を 500 度から 600 度まで下げることが期待されています。 固体酸化物電解槽は、これらの高温で利用可能な熱（核エネルギーを含むさまざまな熱源から）を効果的に利用して、水から水素を生成するために必要な電気エネルギーの量を削減できます。

この経路が検討される理由
電気分解は、クリーンな水素のコストを 10 年で 80% 削減し、1 キログラムあたり 1 ドルにするという水素エネルギー アースショット目標 ("1 1 1") を達成するための主要な水素製造経路です。 電気分解によって生成される水素は、使用される電力源によっては温室効果ガスの排出をゼロにすることができます。 電気分解による水素製造の利点と経済性を評価する際には、コストや効率、発電による排出量など、必要な電力の供給源を考慮する必要があります。 国内の多くの地域では、温室効果ガスが放出され、発電プロセスの効率が低いために必要な燃料の量が多くなるため、今日の送電網は電気分解に必要な電力を供給するのに理想的ではありません。 電気分解による水素製造は、再生可能エネルギー (風力、太陽光、水力、地熱) および原子力エネルギーの選択肢として追求されています。 これらの水素製造経路により、温室効果ガスと基準汚染物質の排出は事実上ゼロになります。 ただし、天然ガス改質などのより成熟した炭素ベースの経路と競争するには、生産コストを大幅に削減する必要があります。

再生可能エネルギー発電との相乗効果の可能性
電気分解による水素製造は、一部の再生可能エネルギー技術の特徴である動的かつ断続的な発電との相乗効果の機会を提供する可能性があります。 たとえば、風力発電のコストは低下し続けていますが、風力の固有の変動性が風力発電の効果的な利用の障害となっています。 水素燃料と発電を風力発電所で統合することで、資源の利用可能性とシステム運用のニーズおよび市場要因に最適に適合するように生産を柔軟に移行できるようになります。 また、風力発電による電力生産が過剰な場合には、通常のように電力を削減するのではなく、この余剰電力を利用して電気分解により水素を製造することも可能です。

注意することが重要です...
今日のグリッド電力は、電気分解に理想的な電力源ではありません。電力のほとんどは、温室効果ガスの排出をもたらし、エネルギーを大量に消費する技術を使用して生成されているからです。 電気分解による水素製造のこれらの制限を克服するには、再生可能エネルギーまたは原子力エネルギー技術を使用した発電が、送電網から切り離されて、または送電網構成の拡大部分として使用される可能性があります。

電気分解プロセスでは、2 つの異なるイオン化プロセスが同時に発生します。 この場合、水と電解質の両方が競合します。

電解質は水と同じイオン化プロセスを経ます。 同じ酸化と還元が電解質でも起こります。
電解質のアニオンは水酸化物イオンと競合して電子を放出し、カチオンは水素イオンと競合して電子を受け取って還元されるため、電解質は注意して選択する必要があります。

電解質のカチオンは、H+ よりも低い電極電位を持たなければなりません。 いかなる電気分解においても、電解質のカチオンの電極電位は電気分解される物質のカチオンの電極電位よりも低くなければならず、電解質のアニオンの電極電位は電解される物質のアニオンの電極電位よりも高くなければならないことを常に覚えておいてください。電気分解される物質。

再生可能エネルギー源を使用したグリーン水素の製造は、水素を製造するための水の電気分解に対する十分な関心を引き起こしました。 CO2を排出しない再生可能エネルギー源を利用した水の電気分解は、水素製造速度を向上させる有望な方法として注目されています。 2020 年には、石油精製、アンモニア (NH3) (ハーバー法による) およびメタノール (CH3OH) (一酸化炭素 [CO] 削減による) の製造など、さまざまな用途のために世界中で約 8,700 万トンの水素が製造されました。輸送用燃料。 水素の需要は 2050 年までに 500-680 百万トンに達すると予想されています。水素製造市場は 2020 年から 2021 年にかけて 1,300 億ドルと評価され、2030 年まで年率 9.2% で成長すると予想されています。しかし、落とし穴があります。現在の水素生産の 95% 以上は化石燃料に基づいており、「グリーン」なものはほとんどありません。 現在、水素の生産は世界の天然ガスの 6%、世界の石炭の 2% を消費しています。 それにもかかわらず、グリーン水素製造技術は人気を集めています。

電気分解は、電気を使用して水を H2 と O2 に分解するプロセスです。 電線などの導電性経路を通る電子の流れが電気です。 このパスは回路として知られています。 電子は、アノードとカソードの間の電位差によって移動します。 アノードにはより多くの電子があり、電子が密集しているため、より不安定になります。 電子はその違いをなくすために自分自身を再配置したいと考えます。 電子は互いに反発し、電子の少ない場所へ移動しようとします。 それが陰極です。
純水は電気を通さないため、水の分解はゆっくりとした酸化還元反応となります。

化学
電解槽には、電源に接続された 1 つの陰極と 1 つの陽極があります。 電子は、何があっても常に陽極から陰極へと流れます。 陰極は常に還元が起こる場所であるため、電子が存在する必要があります。 酸化は電子を失うことであり、還元は電子を獲得することです。
簡単に説明すると、負に帯電したカソードでは還元反応が起こり、カソードからの電子 (e-) が水素カチオンに与えられて水素ガスが生成されます。
カソード (還元):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
正に帯電したアノードでは酸化反応が発生し、酸素ガスが発生し、アノードに電子が与えられて回路が完成します。
アノード (酸化): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
これらの反応を組み合わせると次のものが生成されます。
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 はカソードで生成され、O2 はアノードで生成されます。
水の電気分解には最低 1.23 ボルトの電位差が必要ですが、その電圧では環境からの外部熱が必要になります。

水電解バイポーラセルスタックは、電気的に直列に接続された多数の個別の電気化学セルで構成されています。 実際には、停止したばかりの水電解セルスタックは、各セル内に残っている残留水素と酸素により、かなりの電荷を保持する可能性があります。 放っておくと、この残留電気化学的電荷が消失するまでに何時間もかかる場合があります。 システムのサービスおよび保守担当者は、動作直後にこれらのセル スタックの保守または交換を試みる場合、細心の注意を払う必要があります。 たとえば、レンチなどの金属工具を使用すると、電池スタックの正電流端子板と接地された金属支持フレームの間の隙間を誤って埋めてしまい、大電流が流れたり、アークが発生したりして、望ましくない結果として損傷や傷害が発生する可能性があります。 適切な絶縁保護具を着用していない人も危険にさらされます。

メンテナンスおよびサービス担当者にとってのベスト プラクティスは、セル スタックから安全ガードや電気接続を取り外す前に、セル スタック内に重大な電荷が残っていないことを確認することです。 担当者は、セルスタックの電圧測定を実行して、セルスタックが放電されていることを確認することをお勧めします。 場合によっては、サービス担当者は、追加の安全策として、放電したセルスタック間の大電流短絡抵抗器で構成される適切に設計されたサービスツールを適用することもあります。

製品は中国のすべての地域で販売され、世界各国に輸出されています。 アメリカ、ドイツ、モロッコ、ケニア、サウジアラビア、ベトナム、アルジェリア、インド、タンザニア、台湾など20以上の国と地域で販売されています。 中国航天、ペトロチャイナ、中国核集団、BYD、九里専門、トニーエレクトロニクス、鄭能源集団などの有名企業への提供に成功。 烏蘭堡、海口、海南、海南海口、雲南昆明などの多くのグリーン水素水素化ステーションがあり、グリーン水素製造プロジェクトを提供しています。