นวัตกรรมใหม่ของพลังงานไฮโดรเจน: โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลโฟมเปลี่ยนรูปร่างเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์สำหรับการผลิตไฮโดรเจนได้อย่างไร

1.ยุคใหม่ของไฮโดรเจน

นับตั้งแต่มีการค้นพบไฮโดรเจนในศตวรรษที่ 16 ไฮโดรเจนได้รับการยกย่องให้เป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่สำคัญเนื่องจากมีอยู่มากมาย มีความหนาแน่นของพลังงานสูง และมีคุณสมบัติเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีคาร์บอนต่ำ

ปัจจุบัน กระบวนการผลิตไฮโดรเจนแบ่งตามการปล่อยคาร์บอนเป็นไฮโดรเจนสีเทา ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน และไฮโดรเจนสีเขียว โดยไฮโดรเจนสีเขียวซึ่งผลิตขึ้นโดยการอิเล็กโทรไลซิสน้ำโดยใช้พลังงานหมุนเวียนนั้นไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกหรือสารอันตรายใดๆ และมีความบริสุทธิ์สูง ถือเป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่สะอาดที่สุดและถือเป็นแนวทางหลักในอนาคตสำหรับพลังงานไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนสีเขียวได้มาเป็นหลักผ่านการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยที่เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์จะแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ปัจจุบันมีเทคโนโลยีเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์หลักอยู่ 4 เทคโนโลยี ได้แก่ ALK (อิเล็กโทรไลซิสน้ำด่าง), PEM (อิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน), SOEC (เซลล์อิเล็กโทรไลซิสออกไซด์ของแข็ง) และ AEM (พอลิเมอร์ของแข็ง)ในบนการแลกเปลี่ยนไฟฟ้าด้วยเมมเบรน)

ในบริบทของความเป็นกลางทางคาร์บอนระดับโลก ไฮโดรเจนสีเขียวได้กลายเป็นพื้นที่สำคัญในการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานอย่างไม่ต้องสงสัย ความสามารถของเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ในการลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพต่อไปถือเป็นสิ่งสำคัญต่อความสำเร็จในอนาคตในสาขาที่สำคัญนี้

2. เสาหลัก: เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์

ALK (อิเล็กโทรไลซิสน้ำด่าง) สำหรับการผลิตไฮโดรเจนเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมอิเล็กโทรไลต์ด่าง โดยทั่วไปจะใช้สารละลาย KOH หรือ NaOH ข้อดีที่ใหญ่ที่สุดของเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสนี้คือทั้งแผ่นขั้วบวกและขั้วลบไม่มีสารมีค่าโลหะส่งผลให้ต้นทุนเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ต่ำที่สุด นอกจากนี้ เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ประเภทนี้ยังเป็นเครื่องที่มีความสมบูรณ์ในเชิงพาณิชย์มากที่สุด โดยมีประสบการณ์การใช้งานอย่างกว้างขวาง และครองตลาดอยู่ ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักของอุปกรณ์สำคัญในประเทศบางรุ่นได้ไปถึงระดับขั้นสูงในระดับนานาชาติ โดยให้การผลิตไฮโดรเจนในปริมาณมากต่อเซลล์ ทำให้สามารถปรับให้เข้ากับระบบอิเล็กโทรไลซิสที่ใช้พลังงานจากกริดได้อย่างง่ายดาย

เครื่องวิเคราะห์อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักๆ เช่น แผ่นปลาย ปะเก็น แผ่นไบโพลาร์อิเล็กโทรดแผ่นและไดอะแฟรม อิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยเซลล์อิเล็กโทรไลซิสหลายสิบหรือหลายร้อยเซลล์ ซึ่งถูกกดเข้าด้วยกันด้วยสกรูและแผ่นปลายเพื่อให้เกิดรูปทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยม เซลล์อิเล็กโทรไลซิสแต่ละเซลล์ซึ่งแบ่งด้วยแผ่นที่อยู่ติดกันสองแผ่นประกอบด้วยส่วนต่างๆ หกส่วน ได้แก่ แผ่นไบโพลาร์บวกและลบ อิเล็กโทรดแอโนด ไดอะแฟรม ปะเก็นปิดผนึก และอิเล็กโทรดแคโทด

สิ่งสำคัญคือ อิเล็กโทรดอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์เป็นจุดที่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า และเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนของอิเล็กโทรไลเซอร์ อิเล็กโทรดส่วนใหญ่ที่ใช้ในอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์ในครัวเรือนขนาดใหญ่เป็นวัสดุที่ทำจากนิกเกิล เช่น ตาข่ายนิกเกิลบริสุทธิ์ โฟมนิกเกิล หรือพื้นผิวตาข่ายนิกเกิลบริสุทธิ์/โฟมนิกเกิลที่เคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง ในจำนวนนี้ โฟมนิกเกิลเป็นผลิตภัณฑ์ที่ราคาไม่แพงและมีอายุการเก็บรักษา วัสดุอิเล็กโทรดของอิเล็กโทรดนี้เต็มไปด้วยรูพรุนขนาดเล็กจำนวนมาก ทำให้มีพื้นที่ผิวสัมผัสกว้างขึ้นอย่างมาก ทำให้พื้นที่สัมผัสระหว่างสารละลายและอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้นอย่างมาก ระยะการถ่ายเทมวลสั้นลง และปรับปรุงประสิทธิภาพปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสได้อย่างมาก

วัสดุโฟมโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุที่ใช้นิกเกิลแบบดั้งเดิม โดยให้ไซต์การวิวัฒนาการออกซิเจนที่ใช้งานได้ดีกว่า และประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาก็สูงกว่าอย่างเห็นได้ชัด ถือเป็น "ผลงานชิ้นเอก" ที่ทำให้การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยด่างสามารถก้าวข้ามขีดจำกัดและก้าวหน้าต่อไปได้ จากการทดสอบที่เชื่อถือได้ ภายใต้เงื่อนไขการทำงานจริง ประสิทธิภาพการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยด่างโดยใช้โฟมเหล็ก-นิกเกิลนั้นเหนือกว่าตาข่ายนิกเกิลแบบดั้งเดิม จากการวิจัยล้ำสมัยในประเทศและต่างประเทศในปัจจุบัน พบว่าการใช้พลังงาน DC อาจต่ำถึง 4.0-4.3 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตรมาตรฐาน โดยประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะสูงถึง 80-85%

3. ยุคเริ่มต้นของเครื่อง AEM Electrolyzers

การแยกน้ำด้วยอิเล็กโทรไลซิสโดยใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนแอนไอออนแบบแข็ง (AEM) เป็นกระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่ใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนแอนไอออนราคาถูกกว่าเป็นตัวแยก สารละลายด่างความเข้มข้นต่ำหรือน้ำบริสุทธิ์เป็นอิเล็กโทรไลต์ และตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ไม่มีค่าสำหรับปฏิกิริยา

ในเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM โดยทั่วไปแล้วขั้วบวกจะประกอบด้วยออกไซด์ของโลหะทรานสิชัน (เช่น นิกเกิลออกไซด์ ออกไซด์ของโคบอลต์) ในขณะที่ขั้วลบโดยทั่วไปมักทำจากโลหะมีค่าหรือโลหะผสมของโลหะมีค่า เช่น นิกเกิล แพลตตินัม หรือแพลเลเดียม

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวกคือ: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O ปฏิกิริยาที่ขั้วลบคือ: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

4OH− ที่กล่าวถึงในที่นี้คือแอนไอออนที่เน้นในกระบวนการนี้ ภายใต้การกระทำของเมมเบรนแลกเปลี่ยนแอนไอออน OH− ที่ผลิตที่แคโทดสามารถอพยพไปที่แอโนด ทำให้ความเข้มข้นของ OH− ที่ด้านแอโนดเพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีการสร้างออกซิเจนและน้ำมากขึ้นที่แอโนด ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วจะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ไฮโดรเจนที่บริสุทธิ์กว่าที่แคโทด

บทบาทหลักของวัสดุแคโทดและแอโนดคือการเร่งปฏิกิริยาการแยกน้ำและผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนที่มีประสิทธิภาพ ดังนั้นวัสดุแคโทดและแอโนดจึงต้องมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาและรูพรุนที่แข็งแกร่ง เพื่อให้ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดดำเนินไปอย่างราบรื่น วัสดุแคโทดและแอโนดจะต้องมีสภาพนำไฟฟ้าของไอออนลบและอิเล็กตรอนสูงด้วย

ปัจจุบัน วัสดุแคโทดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือโลหะผสมนิกเกิล และวัสดุแอโนดส่วนใหญ่เป็นโลหะผสมนิกเกิล-เหล็ก เหล็กและนิกเกิลไม่เพียงแต่แสดงกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาที่แข็งแกร่งสำหรับการแยกน้ำเท่านั้น แต่ยังหาได้ง่ายและมีต้นทุนต่ำ เนื่องจาก AEM ไม่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนสูง จึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า เช่น อิริเดียมหรือไททาเนียมในวัสดุแอโนดและแคโทด ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตอุปกรณ์ AEM ได้อย่างมาก และประสิทธิภาพก็ไม่ด้อยไปกว่าเทคโนโลยี PEM ทำให้เป็นแนวทางหลักสำหรับเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ไฮโดรเจนที่พัฒนาขึ้นใหม่ทั่วโลก

4. ขี่คลื่น: การเพิ่มขึ้นของโฟมเหล็ก-นิกเกิล

ไม่ว่าจะเป็น ALK (อิเล็กโทรไลซิสอัลคาไลน์) กระแสหลักในปัจจุบันหรือเทคโนโลยี AEM ที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ โฟมเหล็ก-นิกเกิลก็มีข้อได้เปรียบในการใช้งานที่ไม่เหมือนใครและมีแนวโน้มที่กว้างขวาง

คุณสมบัติของวัสดุ: การออกแบบตาข่าย 3 มิติที่ปฏิวัติวงการ

• พื้นที่ผิวจำเพาะสูงเป็นพิเศษ:ด้วยขนาดรูพรุนที่อยู่ระหว่าง 20-450 μm และค่ารูพรุน ≥98% ทำให้พื้นผิวที่ใช้งานมีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กโทรดแบบระนาบหลายร้อยเท่า ส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างมาก เพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างสารละลายและอิเล็กโทรดอย่างมาก ลดระยะการถ่ายเทมวล และปรับปรุงประสิทธิภาพปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสอย่างมาก
• การเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ:พื้นผิวของโฟมเหล็ก-นิกเกิลเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นนิกเกิลและเหล็ก ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ช่วยในการเกิดปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ซึ่งแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน
• การรองรับด้านโครงสร้าง:โครงสร้างสามมิติของโฟมนิกเกิลให้การรองรับที่ยอดเยี่ยม ช่วยรักษาเสถียรภาพและความสมบูรณ์ของโครงสร้างของอิเล็กโทรด ช่วยให้มั่นใจถึงการทำงานในระยะยาว
• มีสภาพนำไฟฟ้าสูง:ทั้งเหล็กและนิกเกิลเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี และโครงสร้างสามมิติของโฟมเหล็ก-นิกเกิลทำให้มีพื้นผิวมาก ช่วยในการกระจายกระแสไฟฟ้า

การประยุกต์ใช้ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา

ปัจจุบันชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วบวก (OER-CL)และชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด (HER-CL)ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกให้เกิดปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน (OER) และปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน (HER) ตามลำดับ เนื่องจากทั้ง OER และ HER แสดงความเฉื่อยจลนศาสตร์ ตัวเร่งปฏิกิริยาจึงมักถูกโหลดลงบนอิเล็กโทรดเพื่อเพิ่มกิจกรรมของปฏิกิริยาและลดการใช้พลังงาน นี่คือหน้าที่ของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา (CL) เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ฐาน Ni นั้นมีกิจกรรมสูงและมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมในสื่ออัลคาไลน์ และมีเสถียรภาพมากกว่าโลหะทรานสิชั่นอื่นๆ (เช่น Fe, Co) จึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา OER และ HER เนื่องจากมีความสัมพันธ์สูงกับออกซิเจน Fe จึงมีแนวโน้มที่จะดูดซับชนิด OH− และจึงมักใช้เป็นตัวกระตุ้นจลนศาสตร์ OERวัสดุโฟมโลหะผสมนิกเกิล-เหล็กซึ่งรวมคุณสมบัติของโลหะ NiFe ไว้ด้วยกัน แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อใช้เป็นวัสดุขั้วบวกสำหรับการผลิตไฮโดรเจน

การประยุกต์ใช้ชั้นการแพร่กระจาย

ชั้นการแพร่กระจายก๊าซ (GDL) ใช้เป็นหลักในการแพร่กระจายก๊าซ โดยไฮโดรเจนอยู่ที่แคโทดและออกซิเจนอยู่ที่แอโนด นอกจากนี้ เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นโลหะและนำความร้อนได้ จึงทำให้สามารถถ่ายเทอิเล็กตรอนและความร้อนได้สะดวก จึงเรียกกันว่าชั้นการขนส่งที่มีรูพรุน (PTL) ปัจจุบัน โฟมนิกเกิลถูกใช้เป็นวัสดุชั้นการแพร่กระจายอย่างแพร่หลายในตลาด นอกจากนี้ โฟมเหล็กนิกเกิลคุณภาพสูงและคุ้มต้นทุนยังเป็นตัวเลือกที่ประหยัดกว่าอีกด้วย