揭开电解槽的秘密：如何设计高效、模块化的电解槽生产绿氢

揭开电解槽的秘密：如何设计高效、模块化的电解槽生产绿氢

电解槽是生产绿色氢气的关键设备，在能源转型中发挥着重要作用。荷兰电解槽联盟正致力于研发高效、可负担、模块化的电解槽，以满足未来对氢气的巨大需求。

它们已经存在了一百年，但我们仍然几乎不了解电解槽。但重要的是，这些设备可用于生产绿色氢气，因此在能源转型中发挥着重要作用。这就有足够的理由来揭开电解槽的秘密，并设计出一个高效的、可负担得起的、模块化的电解槽，以便它能被大规模使用。在所谓的荷兰电解槽联盟中，TU/e正与合作伙伴和公司一起做这件事。在六个问题中，我们将带您了解阳极、气泡和电解质的奥秘。

1. 你能用电解槽做什么？

在没有意识到的情况下，你有可能已经自己建造了一个电解槽。这是高中时的一个典型实验，你把连接到电池的两个针头放入一杯水中。然后，正如你可能记得的，小气泡在针脚的两端形成。

这些气泡，准确地说，是氢气和氧气，是这个电解过程的产物，在这个过程中，电力被用来分裂水分子。从本质上讲，电解槽只是在更大的范围内做这件事，这个过程可以被用来生产充满氢气的罐子。

生产氢气是它的全部内容。许多人认为，在向二氧化碳中性能源供应的过渡中，氢气可以改变游戏规则。它可以在许多不同的方面使用。

首先，作为一种能源载体，氢气是一种有吸引力的气体，可用于大规模和长期储存由太阳能和风能技术产生的电力（当然，这都要归功于电解）。将电力储存在氢气中可以帮助处理电力供应和需求的潜在波动。除此之外，现有的天然气网络可以用来运输氢气。氢气也可用于燃料电池，以提供电力，例如用于运输工具。

最后，氢气与通过二氧化碳电解获得的一氧化碳一起，是生产化学品的一个关键组成部分。在一些化学生产过程中，氢气可以促进无二氧化碳的替代方法，包括目前排放大量二氧化碳的方法，如钢铁或化肥的生产。

通过使用由可再生能源产生的氢气，传统上与污染和废物有关的化学工业可以变得非常 "绿色"。

那么什么是生产氢气的最绿色的方法之一呢？是的，你猜对了--使用一个电解槽。

2. 今天的电解槽有什么问题？

电解槽已经存在了一百多年，本质上它们仍然看起来是一样的。或者，正如TU/e的研究员Thijs de Groot所说的那样：美丽的技术，但它就像我们仍然在驾驶着1900年代的福特T型车。

De Groot被TU/e的同事开玩笑地称为 "电解先生"，他一生都在从事电解工作，包括工业和学术研究。他仍然将他在大学的工作与Nobian公司的工业职位结合起来，Nobian公司是荷兰工业电解领域最大的企业。

De Groot说，对于最常用的电解槽，即所谓的碱性电解槽，已经做了 "相对较少的研发"，该电解槽自1930年以来一直在大规模地应用。它们仍然是相当沉重、昂贵的设备，不会产生那么多的氢气。

因此，为了在能源转型中发挥重要作用，电解槽需要紧急升级。De Groot说："为了能够扩大用电解槽生产氢气的规模，它们需要变得更便宜、更高效和更灵活。”

电解槽的基本原理。通过向电极（阴极和阳极）施加电压，电解槽溶液中的负离子移动到阴极，而正离子移动到阳极。在阴极，发生了化学反应，产生了氢气，而在阳极，反应产生了氧气。资料来源：埃因霍温科技大学

这是荷兰电解槽联盟的主要目标，该联盟由埃因霍温理工大学的能源研究所EIRES与荷兰基础能源研究所（DIFFER）和VDL集团合作成立，并得到了北布拉邦特省的资助。

一方面，通过改进电解技术，同时深入了解它如何适应市场，各方都希望生产出一种新型的电解槽，使你能够在小规模和大规模上生产氢气。

VDL公司的企业创新总监Marius Ponten说："一个大规模的解决方案将总是由几个相同的单元组成。因此，一个重要的问题是什么是扩大规模的最佳模块。非常具体地说，用500千瓦的单元建造一个千兆瓦的工厂，还是用20兆瓦的单元建造一个千兆瓦的工厂更便宜？"

我们如何设计理想的电解槽？

嗯，这不是那么容易。尽管它们已经存在了一百多年，我们仍然没有完全理解电解槽。De Groot说："如果你看一下各种组件的属性，你期望的性能要比目前的情况好得多。而我们没有一个明确的原因，为什么会如此令人失望。"

那么，我们如何才能解决这个难题呢？TU/e的方法是回归基本原理。在校园里可以找到几种尺寸和类型的电解槽。要详细地暴露和学习了解电解槽的各个方面--每一块'拼图'。例如，通过3D打印的电解器，我们尝试了不同的形状，然后会发生什么？我们是否了解这一点？

荷兰电解槽项目的一个特点是，它是多学科的：从物理学到机械工程，从电气工程到化学。TU/e领先的独特专业领域在这里汇聚一堂，例如可扩展的电化学反应器的制造、用于精确控制材料特性的薄膜合成以及关于电催化和电极工程的知识。

4. 会不会是气泡影响了效率？

气泡？事实上，也许具有讽刺意味的是，当涉及到电解槽令人失望的功率输出时，所产生的气泡本身就是一种嫌疑。

研究员Bert Vreman说，众所周知，如果电解液中存在气泡，电流就不能轻易通过，他在Nobian和TU/e工作，在机械工程系Niels Deen的动力和流量小组工作。他不排除这样的可能性，即你可以通过一些微小的改进获得效率或容量（电流密度）的显著增加。

但你如何将这些气泡送到其他地方？弗雷曼说有几种可能性。一个明显的可能性是更快地泵送电解质溶液，但你也可以考虑为反应器采用不同的几何形状，不同的电极形状，不同的材料，使气泡更快地释放出来。但目前还不清楚这些东西有多重要。

使事情变得非常复杂的是，在一个工作的电解槽中，你几乎看不到气泡产生的过程。

通过这种方式，他们可以研究一个电解气泡是如何生长的，并且从中已经可以学到很多东西。你必须处理两相流动（液体和气体）、表面张力、电化学反应、浓度梯度、热传输和气泡周围的电流，所有这些微型过程我们都想从根本上了解。

作为碱性和PEM电解优势的结合，AEM电解的图形表示。资料来源：埃因霍温科技大学

5. 我们或许可以在电极方面做些什么？

电极也是一个明显的候选人，需要仔细观察。通常，稀缺的贵金属和化合物被用于电极，如铂和氧化铱。铱是地球上最稀有的材料之一，这自然使电解槽的成本大大增加。

这就是为什么Adriana Creatore（应用物理系）和Marta Costa Figueiredo（化学工程和化学系）的团队正在寻找替代品。 "我们正在寻找更容易获得和更具成本效益的材料，同时不影响效率和长期稳定性。为此，他们也在与DIFFER的Mhalis Tsampas小组密切合作。”Creatore解释说。

具体而言，他们正专注于阳极的反应，在这个过程中，氧气被创造出来，这个过程在技术上被称为氧气还原反应（OER）。这个反应开始得非常慢，所需的电催化剂需要长期运行的稳定性，由地球上丰富的材料制成，并且成本低，可以大规模生产。

Creatore团队目前采用原子层沉积法（ALD）来实现对电催化剂组成的控制，直至原子大小。目前，他们正在研究基于钴和磷等元素或镍的化合物。

Costa Figueiredo说："我们目前正在使用基本的、定义明确的设置和条件将这些催化剂与目前使用的电催化剂进行比较。我们的计划是使用几种光谱技术来探索反应机制和电极上由于电解操作而发生的变化。"

6. 是什么使荷兰的电解槽项目如此特别？

问问那些参与的人，你会从每个人那里得到同样的答案：参与方和专业知识的结合，无论是在基础研究领域还是在工业实践领域，都为电解槽技术的开发和商业化创造了理想的基础。

值得注意的是，除了TU/e特别关注的最知名的碱性电解槽变体外，还有其他可以投注的马。近年来，其他有前途的电解槽技术已经出现。Mihalis Tsampas和他在能源研究所DIFFER的研究小组正在关注这些技术。

这些技术包括，例如，在所谓的聚合物电解质膜电解（PEM）中使用聚合物或陶瓷离子传导膜代替液体电解质。与传统的碱性电解相比，这带来了电极内距离小的显著优势。

这可能会导致阻力的减少和更快的系统反应。甚至更进一步的是所谓的AEM电解器，这是一种新兴技术，显示出巨大的前景，因为它结合了PEM和碱性电解的优点（见图片）。

另一方面，固体氧化物电解涉及到在高温下工作，陶瓷金属氧化物发挥着电解质的作用。由于它们的温度窗口，这种反应器不仅为水的电解提供了独特的机会，而且也为生产可持续的化学品和燃料提供了机会。

研究和工业之间存在直接联系的事实意味着潜在的电解器进展将更快地进入最终产品。VDL的Ponten说："最初的重点是'速赢'和改进已经成熟的技术，从长远来看，我们正在评估其他更创新的工艺，以进一步开发。”

有了所有相关的专业知识，电解槽的技术路线图就可以实现了。而且，这不可能发生得足够快。预计到2030年，欧洲对氢气的需求将是目前全球产能的20倍。

本文原文来自埃因霍温科技大学