Il nuovo beniamino dell'energia dell'idrogeno: come la lega di ferro-nichel espansa rimodella gli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno

1. La nuova era dell'idrogeno

Fin dalla sua scoperta nel XVI secolo, l'idrogeno è stato considerato una fonte di energia pulita fondamentale, grazie alla sua abbondanza, all'elevata densità energetica e alle proprietà ecologiche e a basse emissioni di carbonio.

Attualmente, i processi di produzione dell'idrogeno sono classificati in base alle emissioni di carbonio in idrogeno grigio, idrogeno blu e idrogeno verde. Tra questi, l'idrogeno verde, prodotto mediante elettrolisi dell'acqua utilizzando energie rinnovabili, non emette gas serra né sostanze nocive e vanta un'elevata purezza. È il metodo più pulito per la produzione di idrogeno e rappresenta la principale direzione futura per l'energia a idrogeno.

L'idrogeno verde si ottiene principalmente attraversoelettrolisi dell'acqua, dove un elettrolizzatore scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno. Attualmente esistono quattro principali tecnologie di elettrolisi: ALK (elettrolisi dell'acqua alcalina), PEM (elettrolisi a membrana a scambio protonico), SOEC (cella elettrolitica a ossido solido) e AEM (cella elettrolitica a polimero solido).Insull'elettrolisi della membrana di scambio).

Nel contesto della neutralità carbonica globale, l'idrogeno verde è innegabilmente diventato un settore chiave nella transizione energetica. La capacità della tecnologia degli elettrolizzatori di ridurre ulteriormente i costi e migliorare l'efficienza è fondamentale per il suo futuro successo in questo settore cruciale.

2. Il pilastro: gli elettrolizzatori alcalini

L'ALK (elettrolisi dell'acqua alcalina) per la produzione di idrogeno avviene in un ambiente elettrolitico alcalino, tipicamente utilizzando soluzioni di KOH o NaOH. Il principale vantaggio di questa tecnologia di elettrolisi è che sia le piastre dell'anodo che quelle del catodo non contengono metalli preziosi.Metallos, con conseguente costo dell'elettrolizzatore più basso. Inoltre, questo tipo di elettrolizzatore è il più maturo dal punto di vista commerciale, con una vasta esperienza operativa e domina il mercato. Gli indicatori chiave di prestazione di alcune apparecchiature critiche nazionali hanno raggiunto livelli avanzati a livello internazionale, offrendo una produzione di idrogeno su larga scala per cella, rendendole facilmente adattabili all'elettrolisi alimentata dalla rete.

Un elettrolizzatore alcalino è costituito principalmente da componenti come piastre terminali, guarnizioni, piastre bipolari,ElettrodoPiastre e diaframmi. L'elettrolizzatore è composto da decine o addirittura centinaia di celle elettrolitiche, pressate insieme da viti e piastre terminali per formare una forma cilindrica o quadrata. Ogni cella elettrolitica, delimitata da due piastre adiacenti, comprende sei parti: piastre bipolari positive e negative, un elettrodo anodico, un diaframma, una guarnizione di tenuta e un elettrodo catodico.

Fondamentalmente, l'elettrodo dell'elettrolizzatore alcalino è il luogo in cui avvengono le reazioni elettrochimiche ed è fondamentale per determinare l'efficienza di produzione di idrogeno dell'elettrolizzatore. La maggior parte degli elettrodi utilizzati nei grandi elettrolizzatori alcalini domestici sono a base di nichel, come reti di nichel puro, nichel espanso o substrati di reti di nichel puro/nichel espanso rivestiti con catalizzatori altamente attivi. Tra questi, il nichel espanso è economico e un prodotto maturo. Il materiale dell'elettrodo è riempito con numerosi micropori, offrendo un'ampia superficie. Ciò aumenta significativamente l'area di contatto tra la soluzione e l'elettrodo, riduce la distanza di trasferimento di massa e migliora notevolmente l'efficienza della reazione di elettrolisi.

Materiale in lega di ferro-nichel espansoSupera le prestazioni dei tradizionali materiali a base di nichel, offrendo più siti di evoluzione dell'ossigeno attivo e un'efficienza catalitica significativamente più elevata. Si tratta di un "colpo da maestro" per l'elettrolisi dell'acqua alcalina, che mira a un ulteriore progresso e innovazione. Secondo test autorevoli, in condizioni di funzionamento reali, l'efficienza dell'elettrolisi dell'acqua alcalina con schiuma di ferro-nichel è superiore a quella della tradizionale rete di nichel. Sulla base delle attuali ricerche d'avanguardia nazionali e internazionali, il consumo energetico in corrente continua può essere di soli 4,0-4,3 kWh/metro cubo standard, con un'efficienza energetica che raggiunge l'80-85%.

3. L'alba degli elettrolizzatori AEM

L'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio anionico polimerica solida (AEM) è un processo di produzione dell'idrogeno che utilizza una membrana a scambio anionico a basso costo come separatore, una soluzione alcalina a bassa concentrazione o acqua pura come elettrolita e catalizzatori di metalli non preziosi per la reazione.

Negli elettrolizzatori AEM, l'anodo è solitamente costituito da ossidi di metalli di transizione (ad esempio ossido di nichel, ossido di cobalto), mentre il catodo è solitamente costituito da metalli preziosi o dalle loro leghe, come nichel, platino o palladio.

La reazione all'anodo è: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O La reazione al catodo è: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Gli 4OH− menzionati qui sono gli anioni più importanti in questo processo. Sotto l'azione della membrana a scambio anionico, gli OH− prodotti al catodo possono migrare verso l'anodo, aumentandone la concentrazione anodica e generando una maggiore quantità di ossigeno e acqua all'anodo. Questo lascia naturalmente un prodotto di idrogeno più puro al catodo.

Il ruolo principale dei materiali del catodo e dell'anodo è quello di catalizzare la reazione di scissione dell'acqua e di produrre in modo efficiente l'idrogeno e l'ossigeno prodotti. Pertanto, sia i materiali del catodo che quelli dell'anodo devono possedere una forte attività catalitica e porosità. Per il regolare svolgimento delle reazioni elettrodiche, i materiali del catodo e dell'anodo devono inoltre presentare un'elevata conduttività anionica ed elettronica.

Attualmente, i materiali catodici più utilizzati sono le leghe di nichel, mentre i materiali anodici sono principalmente leghe nichel-ferro. Ferro e nichel non solo mostrano una forte attività catalitica per la scissione dell'acqua, ma sono anche ampiamente disponibili e a basso costo. Poiché l'AEM non opera in ambienti altamente corrosivi, non richiede catalizzatori di metalli preziosi come l'iridio o il titanio nei materiali anodici e catodici. Ciò riduce significativamente i costi di produzione delle apparecchiature AEM e le sue prestazioni non sono inferiori a quelle della tecnologia PEM, rendendola la direzione principale per i nuovi elettrolizzatori a idrogeno in tutto il mondo.

4. Cavalcando l'onda: l'ascesa diSchiuma di ferro-nichel

Sia per l'attuale tecnologia ALK (elettrolisi alcalina) sia per quella emergente AEM, la schiuma di ferro-nichel offre vantaggi applicativi unici e ampie prospettive.

Caratteristiche del materiale: Design rivoluzionario della maglia 3D

• Superficie specifica ultra-elevata:Con dimensioni dei pori che vanno da 20 a 450 μm e una porosità ≥98%, la sua superficie attiva è centinaia di volte maggiore rispetto agli elettrodi planari. Questo aumenta significativamente la velocità di reazione, aumenta drasticamente l'area di contatto tra la soluzione e l'elettrodo, riduce la distanza di trasferimento di massa e migliora notevolmente l'efficienza della reazione di elettrolisi.
• Catalisi efficace: La superficie della schiuma di ferro-nichel è rivestita con catalizzatori a base di nichel e ferro. Questi catalizzatori favoriscono la reazione di elettrolisi dell'acqua, che la scinde in idrogeno e ossigeno.
• Supporto strutturale:La struttura tridimensionale della schiuma di nichel fornisce un supporto eccellente, contribuendo a mantenere la stabilità e l'integrità strutturale dell'elettrodo, garantendone un funzionamento a lungo termine.
• Alta conduttività:Sia il ferro che il nichel sono buoni conduttori elettrici e la struttura tridimensionale della schiuma di ferro-nichel offre un'elevata superficie, favorendo la distribuzione della corrente.

Applicazione dello strato di catalizzatore

Attualmente, gli strati del catalizzatore dell'elettrolizzatore includono principalmentestrato catalizzatore anodico (OER-CL)e ilstrato catalizzatore catodico (HER-CL), che facilitano rispettivamente la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). Poiché sia ​​OER che HER presentano inerzia cinetica, i catalizzatori vengono tipicamente caricati sugli elettrodi per migliorare l'attività di reazione e ridurre il consumo energetico. Questa è la funzione dello strato catalitico (CL). Poiché i catalizzatori a base di Ni mostrano un'elevata attività ed eccellente resistenza alla corrosione in mezzi alcalini e sono più stabili di altri metalli di transizione (come Fe, Co), sono ampiamente utilizzati come catalizzatori sia per OER che per HER. Grazie alla sua elevata affinità per l'ossigeno, il Fe tende ad adsorbire specie OH− ed è quindi spesso utilizzato come promotore cinetico di OER.Materiale in lega di nichel-ferro espanso, che combina le proprietà dei metalli NiFe, presenta notevoli vantaggi se utilizzato come materiale anodico per la produzione di idrogeno.

Applicazione dello strato di diffusione

Lo strato di diffusione gassosa (GDL) viene utilizzato principalmente per la diffusione di gas: idrogeno al catodo e ossigeno all'anodo. Inoltre, grazie alla sua conduttività metallica e alla sua conduttività termica, facilita anche il trasferimento di elettroni e calore, ed è quindi noto come strato di trasporto poroso (PTL). Attualmente, il nichel espanso è ampiamente utilizzato come materiale per strati di diffusione sul mercato. Inoltre, il ferro-nichel espanso di alta qualità ed economico rappresenta ora una scelta più economica.