الکترولیز آب PEM دومین تکنولوژی بالغ الکترولیز آب موجود در بازار است. سلول های الکترولیز آب PEM حاوی غشای پلیمری رسانای پروتون نازک (– 150–220 میکرومتر ضخامت) است. مزایای اصلی موارد زیر است: (الف) عدم الکترولیت مایع، عدم نشت الکترولیت و کاهش خوردگی. فشردگی زیاد امکان کار سلول ها با تراکم جریان بالا از چند A / cm 2 ؛ بسیار انعطاف پذیر (شروع سرد و گرم) و واکنش پذیر (قادر به تغییرات سریع تنظیم نقطه تنظیم قدرت) برای کار با منابع انرژی تجدید پذیر. در صورت لزوم امکان کار تحت فشار (تا 200 بار) و تحت اختلاف فشار. الکترولیز آب قلیایی یک فناوری کلیدی برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ است که از انرژی تجدید پذیر تأمین می شود. از آنجا که الکترولیزرهای معمولی برای کار در شرایط فرآیند ثابت طراحی شده اند، اجرای انرژی های تجدیدپذیر نوسانی و بسیار متناوب به چالش می کشد. این سهم وضعیت اخیر سیستم در مورد الکترولیز آب قلیایی و انرژی های تجدید پذیر، مانند انرژی خورشیدی و باد را نشان می دهد. هر یک از اجزای سیستم انرژی هیدروژن برای افزایش زمان کارایی و کارایی سیستم باید بهینه شود. فقط از این طریق می توان هیدروژن تولید شده توسط فرآیندهای الکترولیز با مسیر معمولی مبتنی بر منابع انرژی فسیلی قابل رقابت باشد. الکترولیزرهای متداول آب قلیایی به دلیل افزایش ناخالصی گاز در کمبود قدرت، محدوده بار جزئی را نشان می دهند. از آنجا که باید از مخلوط انفجاری هیدروژن و اکسیژن جلوگیری شود، هنگام رسیدن به یک آلودگی خاص گاز، خاموش شدن ایمنی انجام می شود. علاوه بر این، ولتاژ سلول باید بهینه شود تا راندمان بالایی داشته باشد. در حالی که پانل های فتوولتائیک می توانند مستقیماً به الکترولیزرهای آب قلیایی متصل شوند، توربین های بادی به مبدل های مناسب با تلفات اضافی نیاز دارند. با ترکیب الکترولیز آب قلیایی با مخازن ذخیره هیدروژن و سلولهای سوختی می توان تثبیت شبکه برق را انجام داد. در نتیجه، می توان ذخیره چرخشی متعارف را کاهش داد، که علاوه بر این انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهد. در حالی که پانل های فتوولتائیک می توانند مستقیماً به الکترولیزرهای آب قلیایی متصل شوند ، توربین های بادی به مبدل های مناسب با تلفات اضافی نیاز دارند. با ترکیب الکترولیز آب قلیایی با مخازن ذخیره هیدروژن و سلولهای سوختی می توان تثبیت شبکه برق را انجام داد. در نتیجه، می توان ذخیره چرخشی متعارف را کاهش داد، که علاوه بر این انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهد. در حالی که پانل های فتوولتائیک می توانند مستقیماً به الکترولیزرهای آب قلیایی متصل شوند، توربین های بادی به مبدل های مناسب با تلفات اضافی نیاز دارند. با ترکیب الکترولیز آب قلیایی با مخازن ذخیره هیدروژن و سلولهای سوختی می توان تثبیت شبکه برق را انجام داد. در نتیجه، می توان ذخیره چرخشی متعارف را کاهش داد، که علاوه بر این انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهد.
هیدروژن در نظر گرفته شده حامل انرژی برای یک آینده پایدار، زمانی که آن را با استفاده از انرژی های تجدید پذیر تولید میکنند. امروزه ، کمتر از 4٪ تولید هیدروژن بر اساس فرآیندهای الکترولیز است که قسمت اصلی آن هیدروژن به عنوان محصول جانبی تولید کلر است. از این رو، سهم عمده هیدروژن مورد نیاز به مسیر فسیل از طریق اصلاح بخار گاز طبیعی بستگی دارد . این وضعیت به دلیل هزینه های بالای تولید فرآیندهای الکترولیز در مقایسه با منابع فسیلی مرسوم ، به دلیل هزینه های بالای برق و قوانین تداخل ایجاد می شود. برای کاهشCO2انتشار و برای مستقل شدن از حامل های انرژی فسیلی، سهم هیدروژن تولید شده با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر باید در چند دهه آینده به طور قابل توجهی افزایش یابد. بنابراین، الکترولیز آب یک فناوری کلیدی برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از انرژی تجدید پذیر است. پس از خشک شدن و از بین بردن ناخالصی های اکسیژن، خلوص هیدروژن بالاتر از 9/99 درصد است و از هیدروژن می توان مستقیماً در فرآیندهای زیر یا در بخش حمل و نقل استفاده کرد. انرژی خورشیدی و بادی از منابع انرژی تجدید پذیر برای تولید هیدروژن هستند، زیرا توزیع آنها گسترده ترین است . انرژی برق، زیست توده و انرژی زمین گرمایی گزینه هایی هستند و اغلب برای بار پایه استفاده می شوند. مشکل اصلی در استفاده از انرژی های تجدید پذیر، توزیع ناهموار و متناوب محلی است. با سهم بیشتری از انرژی های تجدید پذیر از توربین های بادی یا پانل های فتوولتائیک خورشیدی و نمایشگاهCO2هزینه های انتشار، تولید هیدروژن توسط الکترولیز آب جذاب تر خواهد شد. ترکیبی از الکترولیز آب با انرژی تجدید پذیر به ویژه مزیت دارد ، زیرا انرژی الکتریکی اضافی را می توان به صورت شیمیایی در هیدروژن ذخیره کرد تا اختلاف بین تقاضای انرژی و تولید را متعادل کند .برای کاربردهای بزرگ، هیدروژن را می توان در غارهای نمکی، مخازن ذخیره یا شبکه گاز ذخیره کرد. مقادیر کمتری هیدروژن را نیز می توان در هیدریدهای فلزی ذخیره کرد .
برای الکترولیز آب، سه فناوری در دسترس است: الکترولیز آب قلیایی (AEL)، الکترولیز غشای تبادل پروتون (یا غشا elect الکترولیت پلیمر) (PEMEL) ، و الکترولیز اکسید جامد (SOEL). در حالی که فناوری های دمای پایین، AEL و PEMEL، هر دو سطح آمادگی بالایی را ارائه می دهند ، فناوری SOEL در دمای بالا هنوز در مرحله توسعه است. الکترولیز آب قلیایی از لیز غلیظ به عنوان الکترولیت استفاده می کند و برای جلوگیری از مخلوط شدن گازهای محصول به جداکننده نفوذ ناپذیر گاز نیاز دارد. الکترودها از فلزات غیر نجیب مانند نیکل با پوشش الکتروکاتالیستی تشکیل شده اند. PEMEL از غشای پلیمری مرطوب به عنوان الکترولیت و فلزات نجیب مانند پلاتین و اکسید ایریدیم به عنوان الکتروکاتالیست استفاده می کند. هر دو فناوری در دمای 50 تا 80 درجه سانتیگراد کار می کنند و فشارهای عملیاتی تا 30 بار را اجازه می دهند. راندمان اسمی پشته هر دو فناوری در حدود 70٪ است [ 18 ، 20] SOEL همچنین به عنوان الکترولیز بخار با درجه حرارت بالا (HTEL) یا بخار شناخته می شود ، زیرا آب گازی در دمای بین 700 تا 900 درجه سانتیگراد به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می شود. از لحاظ تئوری ، بازده پشته نزدیک به 100 to به دلیل اثرات ترمودینامیکی مثبت بر مصرف برق در دماهای بالاتر امکان پذیر است. با این حال ، افزایش تقاضای حرارتی نیاز به یک منبع حرارتی ضایعاتی مناسب از صنایع شیمیایی ، متالورژی یا تولید برق حرارتی برای عملکرد اقتصادی دارد. علاوه بر این ، محیط خورنده نیاز به توسعه بیشتر مواد دارد [ 6 ، 20 ، 21 ]. در نتیجه ، SOEL فقط ظرفیت پشته کوچکی زیر 10 کیلووات را فراهم می کند ، در مقایسه با 6 مگاوات برای AEL و 2 مگاوات برای PEMEL [ 20] از این رو ، هزینه های سرمایه گذاری و طول عمر تعیین می کند که AEL یا PEMEL مطلوب ترین طراحی سیستم برای یک کاربرد در مقیاس بزرگ است. امروزه هزینه های سرمایه گذاری برای AEL از 800 تا 1500 یورو کیلووات − 1 و برای PEMEL از 1400 تا 2100 یورو کیلو وات 1 است . علاوه بر این ، طول عمر الکترولیزرهای آب قلیایی بیشتر است و هزینه های نگهداری سالانه در مقایسه با سیستم PEMEL کمتر است . غالباً، سیستم های PEMEL به دلیل کوتاه بودن زمان راه اندازی و دامنه انعطاف پذیری بار زیاد ، برای عملکرد پویا ترجیح داده می شوند. با توسعه بیشتر کمبودهای AEL به تدریج برطرف می شود . بنابراین، این بررسی بر روی الکترولیز آب قلیایی تأمین می شود که از انرژی تجدید پذیر تأمین می شود. برای اطمینان از ایمنی و کارایی بالا ، الکترولیزرهای آب قلیایی باید برای عملکرد پویا بهینه شوند. از این رو ، فرآیند باید مورد بررسی قرار گیرد که چگونه دینامیک بر عملکرد سیستم تأثیر می گذارد و هنگام استفاده از نوسان انرژی تجدیدپذیر به جای بار ثابت ، چه جنبه هایی باید در نظر گرفته شوند . بنابراین، این سهم توصیف مدل الکترولیز آب قلیایی، پانل های فتوولتائیک و توربین های بادی را برای شناسایی محدودیت ها هنگام ترکیب همه اجزا components در سیستم انرژی هیدروژن نشان می دهد. بعلاوه ، مدلهای نظری می توانند با استفاده از طراحی سیستم هوشمند و استراتژیهای عملکرد مناسب، به حل مشکلات موجود کمک کنند.
این مطالعه عمدتاً شامل ادبیاتی است که با کلمات کلیدی الکترولیزر قلیایی (یا الکترولیز یا الکترولیز) در ترکیب با یکی از کلمات زیر بدست آمده است: . برای مروری گسترده تر ، ادبیات اضافی نیز گنجانده شده است. شکل 1 تعداد نشریات سالانه را نشان می دهد که در پایگاه داده Web of Science برای کلمات کلیدی داده شده از سال 1990 تا 2019 ذکر شده است. علاوه بر این، کلمه کلیدی قلیایی با سایر فن آوری های الکترولیز آب جایگزین می شود تا سهم انتشارات خاص فن آوری را نشان دهد [ 26] در حدود سال 2010 ، به دلیل بحث در مورد چرخش انرژی ، به ویژه در آلمان و سایر کشورهای اروپایی ، تعداد انتشارات سالانه به طور مداوم افزایش می یابد [ 9 ، 27] علاوه بر این ، این موضوع اغلب به طور مستقل از فناوری مورد بحث قرار می گیرد ، زیرا تعداد نشریات خاص فن آوری در مقایسه با نشریات دارای فن آوری های الکترولیز آب مشخص ، کم است. در حالی که فناوری های دمای پایین، AEL و PEMEL، سهم مساوی از انتشارات خاص فناوری را نشان می دهند ، فناوری دمای بالا SOEL کمتر ذکر شده است. این توزیع منعکس کننده ملاحظات اخیر است که ممکن است از فناوری برای تولید پایدار هیدروژن استفاده شود. به ویژه، الکترولیز آب قلیایی به عنوان قابل اطمینان ترین روش برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ در نظر گرفته می شود.
به طور کلی، از محلول آبی پتاس سوز آور یا سودا به عنوان الکترولیت برای الکترولیز آب استفاده می شود. در غلظتهای مساوی، هدایت محلول پتاس سوزآور بیشتر از محلول سود سوزآور است. حلالیت دی اکسیدکربن، که الکترولیت را آلوده کرده و رسانایی آن را کاهش می دهد، در محلول پتاس کاستیک نسبت به محلول سود سوز آور کمتر است و کاهش رسانایی با جذب همان مقدار دی اکسید کربن نیز در نمونه قبلی کمتر است. هنگامی که مقدار زیادی دی اکسید کربن در الکترولیت ها جذب می شود، کربنات ها رسوب می کنند به طوری که الکترولیت سلول نوع باز برای مبادله گاه و بیگاه مورد نیاز است که مجبور است محلول سود سوزآور ارزانتری را به عنوان الکترولیت استفاده کند، در حالی که در سلول های مهر و موم شده، شارژ الکترولیت اصلی به طور معمول می تواند بیش از ده سال مورد استفاده قرار گیرد. ولی، بالاترین رسانایی به ترتیب در نقاط قوت حدود 28٪ پتاس سوزآور و حدود 20٪ سود سوز آور در دمای کار مشاهده می شود. بنابراین ، غلظت 25 - 28٪ پتاس سوزآور یا 15 - 20٪ سود سوزآور معمولاً به عنوان الکترولیت استفاده می شود. این الکترولیت ها تمایل دارند که از خلوص بالایی برخوردار باشند. کلریدها و سولفات ها باید به دلیل عملکرد خورنده آنها روی الکترودها ، به ویژه آندها، کاملاً حذف شوند. اگرچه هدایت الکترولیت و بازده انرژی الکترولیز آب با افزایش دما افزایش می یابد، سلولهای الکترولیز آب امروزه معمولاً در دمای 60 - 80 درجه سانتیگراد برای سلول پتاس سوزآور و در 50 - 70 درجه سانتیگراد برای سود سوزآور کار می کنند سلول، به ترتیب، به منظور کاهش مصرف مواد الکترولیزر. با الکترولیز شدن آب، آرایش آب باید تأمین شود. هرگونه ناخالصی غیر فرار موجود در آب اضافه شده به عنوان آلاینده در محلول قلیایی باقی مانده و به منظور حفظ خصوصیات عملکرد سلول الکترولیز، آب با خلوص بالا لازم است اضافه شود. بنابراین، گیاهان تصفیه آب با کیفیت بالا ضروری هستند.
امروزه به دلیل افزایش جمعیت و استانداردهای سبک زندگی، مصرف انرژی جهانی به تدریج افزایش یافته است. علاوه بر این، با افزایش گرم شدن کره زمین و آلودگی محیط زیست، توسعه منابع انرژی تجدید پذیر ضروری تر می شد. هیدروژن یکی از امیدوار کننده ترین حامل های انرژی پاک و پایدار است و فقط به عنوان محصول جانبی و بدون انتشار کربن، آب را منتشر می کند . هیدروژن دارای ویژگی های جذاب بسیاری به عنوان حامل انرژی و چگالی انرژی بالا (140 MJ / kg) است که بیش از دو برابر بیشتر از سوخت های جامد معمولی (50 MJ / kg) است.
