电解槽之谜如何解决它才能实现能源转型

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，因此在能源转型中发挥着重要作用。这足以解开电解槽的秘密并设计一个高效、经济且模块化的电解槽，以便它可以大规模使用。TU/e正在与合作伙伴和公司一起在所谓的荷兰电解器财团内这样做。我们通过六个问题带您了解阳极、气泡和电解质的谜团。

1.电解槽能做什么?

在不知不觉中，您很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，您将连接到电池的两个引脚放入一杯水中。然后，您可能还记得，在针脚的两端形成了小气泡。

这些气泡，准确地说是氢气和氧气，是这种电解过程的产物，在这个过程中，电力被用来分解水分子。从本质上讲，电解槽的规模要大得多，这个过程可用于生产装满氢气的罐。

生产氢气就是一切。许多人认为，在向CO2中性能源供应过渡的过程中，氢气可以改变游戏规则。它可以以多种不同的方式使用。

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太阳能和风能技术(当然这一切都归功于电解)产生的电力。将电力储存在氢气中可以帮助应对电力供需的潜在波动。除此之外，现有的天然气网络可用于运输氢气。氢也可用于燃料电池以提供电力，例如在运输工具中。

最后，氢与通过CO2电解获得的CO一起是化学品生产的关键组成部分。在许多化学生产过程中，氢气可以为替代的无CO2方法做出贡献，包括目前排放大量CO2的方法，例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更加“绿色”。

最环保的制氢方法之一是什么?是的，你猜对了——使用电解槽。

2、现在的电解槽有什么问题?

电解槽已经存在一百多年了，本质上它们看起来仍然一样。或者，正如TU/e研究员ThijsdeGroot所说：“美丽的技术，但就像我们仍然驾驶1900年代的福特T型车一样。”

DeGroot被他在TU/e的同事们戏称为电解器先生，他一生都在从事电解工作，无论是在工业上还是在学术研究中。他仍然将他在大学的工作与荷兰最大的工业电解企业Nobian的工业职位相结合。

据德格鲁特说，最常用的电解槽，即所谓的碱性电解槽，“研发相对较少”，自1930年以来就已大规模应用。“它们仍然是相当沉重、昂贵的设备，不会产生太多的氢气。”

因此，要在能源转型中发挥重要作用，电解槽急需升级。“为了能够通过电解槽扩大氢气的生产，它们需要变得更便宜、更高效和更灵活，”德格鲁特说。

这是荷兰电解器财团的主要目标，该财团由TU/e的能源研究所EIRES与DIFFER(荷兰基础能源研究所)和VDL集团合作，并在北布拉班特省的资助下成立。

通过一方面改进电解技术，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电解槽，使您能够生产小规模和大规模的氢。

“大型解决方案总是由几个相同的单元组成，”VDL企业创新总监MariusPonten说。因此，一个重要的问题是用于放大的最佳模块是什么。Ponten：“具体来说，从500千瓦机组还是从20兆瓦机组建造一个千兆瓦的发电厂更便宜?”

我们如何设计理想的电解槽?

嗯，这并不容易。尽管它们已经存在了一百多年，但我们仍然不完全了解电解槽。“如果您查看各种组件的属性，您会期望性能比当前情况好得多，”DeGroot说。“而且我们没有明确的理由为什么会如此令人失望。”

那么我们如何解决这个难题呢?TU/e的方法是回归基础。校园内可以找到多种尺寸和类型的电解槽。详细展示和学习理解电解槽的各个方面——每个“拼图”。“例如，通过3D打印电解槽，我们尝试了不同的形状，”DeGroot说。“那会发生什么?我们明白吗?”

荷兰电解器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引领的独特专业领域汇聚于此，例如可扩展电化学反应器的制造、用于非常精确地控制材料特性的薄膜合成以及电催化和电极工程方面的知识。

德格鲁特：“我们正在慢慢对这个谜题有更清晰的了解。”

4、会不会是气泡影响效率?

泡泡?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，产生的气泡本身就是一个问题。

“众所周知，如果电解液中有气泡，电流就不能轻易通过它，”研究员BertVreman说，他在Nobian和TU/e的NielsDeen的Power&Flow小组工作机械工程。他不排除通过一些小的改进可以显着提高效率或容量(电流密度)的可能性。

但是你如何将这些气泡发送到其他地方呢?根据Vreman的说法，有几种可能性。“一个明显的方法是更快地泵送电解质溶液，但你也可以考虑反应器的不同几何形状，不同形状的电极，不同的气泡释放材料。但不清楚这些东西有多少事情。”

使问题变得非常复杂的是，您在工作的电解槽中几乎看不到气泡产生过程。“一切都是白色的，就像一条狂野的河流。所以拍摄它并没有提供太多信息。这就是为什么Vreman、Deen和同事们现在首先关注简化的情况，他们对其进行详细的计算机模拟。

通过这种方式，他们可以研究一个电解泡是如何生长的，从中已经可以学到很多东西。“你必须处理气泡周围的两相流(液体和气体)、表面张力、电化学反应、浓度梯度、热传递和电流，”Vreman列出。“我们想要从根本上了解所有这些微型流程。”

作为碱性电解和PEM电解优势组合的AEM电解的图形表示。图片来源：埃因霍温科技大学

5.我们可以对电极做些什么吗?

电极也是仔细观察的明显候选者。通常稀有的贵金属和化合物用于电极，例如铂和氧化铱。铱是地球上最稀有的材料之一，这自然会大大提高电解槽的成本。

这就是AdrianaCreatore(应用物理系)和MartaCostaFigueiredo(化学工程与化学系)的团队正在寻找替代方案的原因。“我们正在寻找更容易获得且更具成本效益的材料，同时又不影响效率和长期稳定性，”Creore解释说。为此，他们还与DIFFER的MihalisTsampas小组密切合作。

具体来说，他们专注于阳极反应，在此过程中产生氧气，这一过程在技术术语中称为氧还原反应(OER)。Creatore：“这个反应开始非常缓慢，所需的电催化剂需要长期运行稳定性，由地球上丰富的材料制成，并且成本低才能大规模生产。”

Creatore团队目前采用原子层沉积(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或镍等元素的化合物。

“我们目前正在使用基本和明确定义的设置和条件将这些催化剂与当前使用的电催化剂进行基准测试，”CostaFigueiredo说。“我们的计划是使用几种光谱技术来探索由于电解操作引起的反应机制和电极变化。”

6.是什么让荷兰电解槽项目如此特别?

询问相关人员，您会从每个人那里得到相同的答案：基础研究和工业实践领域的相关方和专业知识的结合，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特别关注的最著名的碱性电解槽变体之外，还有其他马匹可以押注。近年来，出现了其他有前途的电解槽技术。MihalisTsampas和他在能源研究所DIFFER的研究小组正专注于这些。

这些包括，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导电膜代替液体电解质。“与传统的碱性电解相比，这带来了电极内距离小的显着优势，”Tsampas说。

“这可能会导致阻力降低和系统响应速度加快。”更进一步的是所谓的AEM电解槽，这是一项新兴技术，由于它结合了PEM和碱性电解的优点，因此显示出巨大的前景(见图)。

另一方面，固体氧化物电解涉及在高温下工作，陶瓷金属氧化物起到电解质的作用。“由于它们的温度窗口，这种反应器不仅为水电解提供了独特的机会，而且为可持续化学品和燃料的生产提供了独特的机会，”Tsampas说。

研究与工业之间存在直接联系这一事实意味着潜在的电解槽进步将更快地进入最终产品。VDL的Ponten：“最初的重点是‘快速取胜’和改进已经成熟的技术，从长远来看，我们正在评估替代的、更具创新性的流程以进一步发展。”

结合所有相关专业知识，电解槽的技术路线图触手可及。这不可能发生得足够快。到2030年，欧洲对氢气的需求预计将是当前全球产能的20倍。

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