Termiz davlat universiteti fizika-matematika fakulteti nazariy fizika kafedrasi

Vodorod ishlab chiqarish uchun elektroliz texnologiyasini
amalga oshirish usullari
5-jadval

Elektrolizator turi	Energiya sarfi, H2 m^3/kWt*st	Harorat, K	Ishlashi, H2 m^3/st	Bosim, MPa	Unumdorlik, %
Suv-Gidroksidi	4,5-5,5	320-370	500 gacha	0,1-5	50-70
Qattiq polimer elektrolit (TPE) bilan	3,5-4,5	350-370	100 gacha	0,1-15	80-90
Qattiq oksidli elektrolit bilan	2,5-4	1070-1270	-	0,1-3	≥ 85

Ishqoriy elektroliz - bu elektrolitlar eritmasi (20-30% KOH yoki NaOH eritmasi) orqali anoddan katodga elektr tokining o'tishi natijasida ular ustida vodorod va kislorod gazlari hosil bo'lishi:
2OH → 0,5O₂ + H₂O + 2e – katod;
2H₂O + 2e → H2 + 2OH – anod;
H₂O → H₂ + 0,5 - umumiy reaksiya.
Ishqoriy elektroliz jarayonining o'ziga xos xususiyati keng yuk oralig'ida ishlash qobiliyatidir (nominal quvvatning 20% ​​dan oshadi). Asosiy ishlab chiqaruvchilar: Stuart IMET, The Electrolyser Corporation Ltd, Norsk Hydro, DeNora, NPO Uralximmash va boshqalar.
An'anaviy suv elektroliz jarayonini takomillashtirish va uning samaradorligini oshirishga qaratilgan tadqiqotlar qattiq polimer elektrolitli elektrolizatorlarning rivojlanishini o'z ichiga oladi (TPE). Vodorod ishlab chiqarishning ushbu usuli tarixiy jihatdan DuPontdan Nafion perflorli ion almashinadigan membrananing paydo bo'lishi bilan bog'liq. TPE bilan birinchi elektrolizatorlar 1966-yilda General Electric tomonidan yaratilgan. Bunday mahsulotlar maxsus maqsadlar uchun (kosmik kemalar, suvosti kemalari va boshqalar), shuningdek, fuqarolik sanoatining ehtiyojlari uchun mo'ljallangan edi.
Hozirgi vaqtda elektrolizatorlarni TPE bilan qo'llash yo'nalishlari, ular tomonidan ishlab chiqarilgan gazlarni yonilg'i xujayralarida ishlatishdan tashqari: analitik asboblar (laboratoriyalarni vodorod bilan ta'minlash, gaz xromatografiyasi uchun uskunalar), tuzatish tizimlari yadro reaktorlarining suv-kimyoviy rejimi, vodorod bilan payvandlash, elektron sanoat uchun juda toza moddalar ishlab chiqarish va boshqalarda foydalaniladi. Vodorod shuningdek, turli xil kimyoviy texnologik jarayonlarda, masalan, ammiakda, organik birikmalarni gidrogenlashda keng qo'llaniladi. Bunday holda, ishlab chiqarilgan kislorod, nafas olish uchun ishlatilishidan tashqari (masalan, tibbiyotda), sanoatning turli xil yonish jarayonlari, yarimo'tkazgich ishlab chiqarish, shisha eritish, qattiq maishiy chiqindilar va chiqindi suvlarni tozalash, ko'mirni gazlashtirish kabi sohalarda ishlatilishi mumkin. Shuni ta'kidlash kerakki, ma'lum sharoitlarda, vodorod va kislorod ishlab chiqarishdan tashqari, TPE bilan suvni elektroliz qilish jarayonida ozon ajralib chiqishi mumkin.
Bunday elektrolitlar membranasi g'ovak bo'lmagan polimerga asoslangan perflorli uglerod mexanik kuchiga, kimyoviy qarshilikka va yuqori elektr o'tkazuvchanlikka ega bo`ladi. Bunday membranalardagi zaryad tashuvchisi gidratlangan protondir:
4H+ + 4e → 2H<sub>2</sub> - katod;
H<sub>2</sub>O → O<sub>2</sub> + 4H+ - anod.
TPE elektrolizatorlari o'xshash xususiyatlarga ega bo'lgan suv-gidroksidi bilan taqqoslaganda 5-7 baravar qimmatroq, ammo ayni paytda ular ekologik jihatdan qulay, og'irligi va o'lchamlari, ko'rsatkichlari va energiya sarfi sezilarli darajada pastroq, xavfsizlik darajasi, statsionar bo'lmagan rejimlarda ishlash qobiliyati, va hammasidan ham siqilgan gazlarni (30 atmgacha va undan ko'p) to'g'ridan-to'g'ri elektrolizatorda olish mumkinligi juda qulay. TPE suv elektroliz tizimlarining muhim xususiyati shundaki, hosil bo'lgan vodorodning (shuningdek, kislorodning) tozaligi TPE yoqilg'i xujayralarida foydalanish uchun zarur bo'lgan gazlarning sifatiga mos keladi, ular transportda va markazlashtirilmagan energiyada joriy etilishi mumkin (TPE bilan elektroliz natijasida olingan vodorodning tozaligi kamida 99,98%). Ammo TPE asosidagi elektroliz tizimlarining o'zi yetkazib berilayotgan suvning tozaligiga qat'iy talablarni qo'yadi.
Bugungi kunda elektrolizatorlarning asosiy ishlab chiqaruvchilari TPE bilan: AQShda Hamilton Sundstrand, Proton Energy Systems Inc. (28 atmgacha bosim ostida ishlaydigan elektrolizatorlar, vodorod quvvati 26 m<sup>3</sup>/s gacha elektrolizatorlar kombinatsiyasi bilan quvvati 260 m<sup>3</sup>/soat bo'lgan elektr stantsiyasiga), Membrel jarayoni, Devid Tizimlar va texnologiyalar, Ivani; Germaniyada H-tec (10 kWtgacha bo'lgan elektrolizatorlar). TPE elektrolizatorlarini tadqiq etish va rivojlantirish Norvegiyada (Norvegiya Fan va Texnologiya Universiteti), shuningdek Yaponiyada (Matsushita Electric Works, Ltd va Fuji Electric Co., Ltd.) qo`llanilmoqda. Masalan, Yaponiyaning WE-NET dasturi (2500 sm² ish kuchlanishli (U) maydonga ega element) doirasida bir muncha yutuqlarga erishildi. 80°C da 1,556 V va oqim zichligi (i) 1A/sm², energiya konversiyasining samaradorligi 95,1% ni tashkil etadi, bu esa muvozanat salohiyatining 1,48 V ga yaqinligi bilan izohlanadi. Fransiyada TPE elektrolizida ishlar 1985-yilda boshlangan. Tizimlar ishlab chiqilgan 0,5 kWt quvvatga ega, asosan suvosti kemalari va kosmik kemalarini kislorod bilan ta'minlash uchun mo'ljallangan [10].
Rossiyada TPE bilan suv elektroliz tizimini ishlab chiqish va vodorod ishlab chiqarishda yetakchi o'rinlardan birini IVEPT FSI RRC "Kurchatov instituti" egallaydi. Ushbu yo'nalishdagi 20 yildan ortiq vaqt davomida ish bosimi 30 atmgacha bo'lgan har xil quvvatli elektrolizatorlar yaratildi. Shunday qilib, masalan, vodorod quvvati 100 m³/soatgacha bo'lgan va 30 atmgacha bosim ostida ishlaydigan elektrolizatorlar ishlab chiqilgan. Bugungi kunga kelib, "Kurchatov instituti" FGU RRC prototip va kichik namunalarni loyihalash va ishlab chiqarishda katta tajribaga ega. Resursni kamaytirmasdan platina guruhidagi metallarning iste'molini kamaytirish uchun qo'llab-quvvatlanadigan elektrokatalizatorlar va aralash oksidli katalitik kompozitsiyalar ishlab chiqilgan.

Katod katalizatori (shu jumladan uglerodni qo'llab-quvvatlashda) bo'lgan elektrolizator ham juda yaxshi xususiyatlarga ega [5].

Elektrolizatorning ishlash xususiyatlari:
- i = 1 A/sm² va t = 90 ° C da vodorodning energiya sarfi 3,9-4,1 kWt/m³ va hujayraning kuchlanishi U = 1,65-1,72 V;
- vodorod tozaligi > 99,98%;
- 1 A/sm² ga teng bo'lgan vodorod uchun oqim samaradorligi > 98%;
- 30 atmgacha bo'lgan ish bosimi (elektrolizatorlarni yaratish ishlari olib borilmoqda, 50 atmgacha bosim ostida ishlash.);
- metallarni iste'mol qilish katodda 0,3-1,0 mg/sm³ va anodda 2,0 mg/sm³;
- xizmat muddati 10 000 soatgacha.
Suv bug'ining yuqori haroratli elektrolizi ba'zi elementlarning oksidlari 10-15% qo'shilgan holda o'zgartirilgan, sirkonium oksidlarga asoslangan qattiq elektrolitli hujayralarda amalga oshiriladi. Ushbu oksidlarga kalsiy, itriy, itterbiy, selen, vanadiy oksidlari kiradi. Bunday elektrolit bir qutbli o'tkazuvchanlikka ega; u orqali oqim ionlar tomonidan o'tkaziladi, suvning ajralishi va vodorod evolyutsiyasi jarayonida kislorod hosil bo'ladi:
Н₂О (bug ') + 2е → О₂ + Н₂ (gaz) katod
О₂ → 0,5 О₂ (газ) + 2е.
Vodorod katod makonidan ajralmagan bug' bilan birga chiqariladi.
Ushbu jarayonni amalga oshirishda iste'molni keskin kamaytirish mumkin bo'ladi. Elektrolitik vodorodni ishlab chiqarish uchun elektr energiyasi, uning bir qismini issiqlik energiyasi bilan almashtirish orqali amalga oshiriladi. Issiqlik energiyasidan eng yaxshi foydalanish bug' qozonida va turbin generatorida issiqlikni qaytarish uchun yuqori haroratli elektrolizni quvvat tizimi bilan birlashtirgan kombinatsiyada amalga oshiriladi.

Suv bug'ining elektroliz jarayoni sezilarli darajada suvli eritmalar elektroliziga nisbatan past kuchlanishda amalga oshirilishi mumkin.

Yuqori haroratli elektrolizda kuchlanish deyarli yuqori bo'ladi termo-muvozanat va elektr energiyaning bir qismi issiqlikka aylanadi.
Qaytarib bo'lmaydigan jarayonlar tufayli yo'qotishlar tufayli hujayra bo'ylab haqiqiy kuchlanish har doim yuqori va ishlatiladigan oqim zichligiga bog'liq bo'ladi:

Tok zichligi, kA/m^2	1	2	3	5
Kuchlanish,V	1,0	1,2	1,35	1,65

Elektroliz paytida suv vodorod va kislorodga ajraladi. Ikkalasi ham gaz zamonaviy sanoatda keng qo'llaniladi, ammo ularning eng qimmat mahsuloti vodoroddir. Kislorodni havodan past haroratda ajratish orqali deyarli cheksiz miqdorda olish mumkin.