การผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า: ปัจจัยที่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิสและบทบาทของวัสดุไดอะแฟรม

ในการแสวงหาของจีนอย่างต่อเนื่องในการแก้ไขปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนไปสู่เศรษฐกิจสีเขียวและคาร์บอนต่ำ เป้าหมาย 3060 (การปล่อยคาร์บอนสูงสุดภายในปี 2030 และความเป็นกลางทางคาร์บอนภายในปี 2060) เป็นกลยุทธ์ที่สำคัญ ความมุ่งมั่นนี้ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของเป้าหมายด้านสิ่งแวดล้อมระยะยาวของจีน ทำหน้าที่เป็นรากฐานสำหรับความพยายามในการเป็นกลางทางคาร์บอนทั่วโลก แง่มุมที่สำคัญของกลยุทธ์นี้คือการพัฒนาและการนำวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่สะอาดมาใช้ โดยเฉพาะการผลิตไฮโดรเจนด้วยการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ ในฐานะหนึ่งในวิธีการหลักในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำมีบทบาทสำคัญในการบรรลุเป้าหมายการลดคาร์บอนที่ทะเยอทะยานของประเทศ ประสิทธิภาพของการผลิตไฮโดรเจนผ่านการอิเล็กโทรลิซิสได้รับอิทธิพลอย่างมากจากแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส ซึ่งได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ บทความนี้จะสำรวจปัจจัยที่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิสและบทบาทสำคัญของวัสดุไดอะแฟรมในการผลิตไฮโดรเจน

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส

1. โครงสร้างเมมเบรน

หนึ่งในปัจจัยที่มีอิทธิพลมากที่สุดในการกำหนดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิสคือโครงสร้างเมมเบรนที่ใช้ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส เมมเบรนทำหน้าที่เป็นอุปสรรคระหว่างแคโทดและแอโนด แยกก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตขึ้น คุณสมบัติหลายประการของเมมเบรนมีอิทธิพลต่อกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส รวมถึงวัสดุ ความหนา ความพรุน และคุณสมบัติพื้นผิว เมมเบรนคุณภาพสูงที่มีความต้านทานต่ำช่วยให้การไหลของไอออนง่ายขึ้น ลดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส วัสดุเมมเบรนที่มีการนำไอออนที่ดีกว่าจะอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของไอออนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น นำไปสู่ความต้องการพลังงานที่ต่ำลงสำหรับกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส

2. ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า

ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า หรือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ที่กำหนดของอิเล็กโทรไลต์ มีผลโดยตรงต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส เมื่อความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิสจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้านี้เกิดจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความต้านทานโอห์มิก ความต้านทานโพลาไรเซชัน และการเกิดความร้อนภายในระบบ ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สูงอาจนำไปสู่การสูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากความต้านทานเหล่านี้ ซึ่งต่อมาจำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อรักษากระบวนการอิเล็กโทรลิซิส

3. ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์

อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำมักจะเป็นสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) ความเข้มข้นของ KOH มีบทบาทสำคัญในการกำหนดค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส ความเข้มข้นของ KOH ที่สูงขึ้นมักจะส่งผลให้การนำไฟฟ้าดีขึ้น ซึ่งลดความต้านทานในเซลล์และลดแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้ว ความเข้มข้นของ KOH ประมาณ 30% จะถูกรักษาไว้ในระบบอิเล็กโทรลิซิสแบบด่าง หากความเข้มข้นต่ำเกินไป ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น และแรงดันไฟฟ้าของเซลล์จะต้องเพิ่มขึ้นเพื่อชดเชยการไหลของไอออนที่ขาดแคลน

4. ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด

ระยะห่างระหว่างแคโทดและแอโนดเป็นอีกปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส การเว้นระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดมากขึ้นจะเพิ่มความยาวเส้นทางสำหรับการเคลื่อนที่ของไอออน ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานในอิเล็กโทรไลต์และแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการเพื่อขับเคลื่อนกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส การเว้นระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดอย่างเหมาะสมจะช่วยให้การกระจายของสนามไฟฟ้าเป็นไปอย่างสม่ำเสมอและลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อความเสถียรของแรงดันไฟฟ้า การเว้นระยะห่างของอิเล็กโทรดที่ไม่เพียงพออาจนำไปสู่พื้นที่เฉพาะที่มีความต้านทานสูง ส่งผลให้ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น

5. ปริมาณการหมุนเวียนของน้ำด่าง

การหมุนเวียนของอิเล็กโทรไลต์หรือน้ำด่างรอบอิเล็กโทรดเป็นอีกพารามิเตอร์ที่สำคัญที่มีอิทธิพลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส การหมุนเวียนที่เหมาะสมช่วยให้ความเข้มข้นของไอออนใกล้พื้นผิวอิเล็กโทรดคงที่ ส่งเสริมการอิเล็กโทรลิซิสที่มีประสิทธิภาพ หากปริมาณการหมุนเวียนไม่เพียงพอ อิเล็กโทรไลต์อาจหมดไอออนใกล้อิเล็กโทรด ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ การหมุนเวียนที่ไม่ดีอาจส่งผลให้เกิดการสะสมของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยารอบพื้นผิวอิเล็กโทรด ซึ่งขัดขวางการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด ทำให้ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น

6. อุณหภูมิ

อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนืดของอิเล็กโทรไลต์จะลดลง ทำให้ไอออนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมากขึ้นและเพิ่มการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานในระบบและลดแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงเกินไปอาจนำไปสู่ผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การเสื่อมสภาพของเมมเบรนที่เร่งขึ้น ประสิทธิภาพการเกิดก๊าซที่ลดลง และความไม่เสถียรของระบบ ดังนั้น การรักษาช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการอิเล็กโทรลิซิสมีประสิทธิภาพในขณะที่ป้องกันความเสียหายต่อระบบ

7. สิ่งเจือปนในน้ำด่าง

การมีอยู่ของสิ่งเจือปนในอิเล็กโทรไลต์สามารถเปลี่ยนแปลงการนำไอออนของสารละลายและส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส สิ่งเจือปนอาจมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาข้างเคียงที่อิเล็กโทรดหรือแม้กระทั่งปนเปื้อนเมมเบรน ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงและแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น สิ่งเจือปนทั่วไปในน้ำด่าง ได้แก่ ไอออนโลหะ สารประกอบอินทรีย์ และสิ่งปนเปื้อนจากวัสดุอิเล็กโทรดหรือเมมเบรน สิ่งเจือปนเหล่านี้สามารถรบกวนปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่ตั้งใจไว้และเพิ่มความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์ ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อรักษากระบวนการ

8. การเคลือบผิวอิเล็กโทรดที่มีความกระตือรือร้น

การเคลือบอิเล็กโทรด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีโลหะมีค่า เช่น แพลทินัมหรืออิริเดียม มีบทบาทสำคัญในการลดแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า การเคลือบเหล่านี้ช่วยเพิ่มการกระตุ้นของอิเล็กโทรด ทำให้ปฏิกิรินาดำเนินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยการปรับปรุงกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาที่อิเล็กโทรด การเคลือบที่มีความกระตือรือร้นจะลดแรงดันไฟฟ้าเกิน ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติมที่ต้องการเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยา การใช้การเคลือบอิเล็กโทรดคุณภาพสูงสามารถลดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิซิสได้อย่างมากและปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

9. จำนวนการเริ่มต้นและหยุด

กระบวนการเริ่มต้นและปิดระบบในระบบอิเล็กโทรลิซิสยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์อิเล็กโทรลิซิสเมื่อเวลาผ่านไป การเริ่มต้นและปิดระบบแต่ละครั้งจะทำให้เกิดการเกิดโพลาไรเซชันบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ซึ่งค่อยๆ สะสมขึ้นเมื่อมีการทำซ้ำหลายรอบ โพลาไรเซชันนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของโอเวอร์โพเทนเชียลที่จำเป็นสำหรับการอิเล็กโทรลิซิส ซึ่งจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้ารวมของระบบ การเริ่มต้นและหยุดบ่อยครั้งอาจส่งผลต่อความเสถียรของเมมเบรน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของอิเล็กโทรลิซิสเพิ่มเติม

บทบาทของวัสดุไดอะแฟรมในการผลิตไฮโดรเจนโดยการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ

ในขณะที่การอิเล็กโทรลิซิสของน้ำกลายเป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ได้รับความนิยมมากขึ้น ไดอะแฟรมหรือเมมเบรนมีบทบาทสำคัญในการรับรองประสิทธิภาพและความปลอดภัยของกระบวนการ ไดอะแฟรมทำหน้าที่เป็นอุปสรรคทางกายภาพที่แยกไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตที่แคโทดและแอโนดตามลำดับ นอกจากฟังก์ชันการแยกแล้ว ไดอะแฟรมยังอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของไอออนภายในอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการผลิตไฮโดรเจน

1. การขนส่งไอออน

ไดอะแฟรมอนุญาตให้มีการถ่ายโอนไอออนแบบเลือกได้ เช่น ไอออนไฮดรอกไซด์ในระบบอิเล็กโทรลิซิสอัลคาไลน์ การขนส่งไอออนนี้มีความสำคัญต่อการรักษาความต่อเนื่องของกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ไดอะแฟรมต้องซึมผ่านได้เพียงพอเพื่อให้ไอออนผ่านได้ แต่ไม่สามารถซึมผ่านได้สำหรับก๊าซ เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งต้องแยกออกจากกันเพื่อป้องกันการรวมตัวใหม่

2. อุปสรรคด้านความปลอดภัยสำหรับก๊าซ

หนึ่งในหน้าที่หลักของไดอะแฟรมคือการป้องกันการข้ามหรือการซึมผ่านของก๊าซระหว่างอิเล็กโทรด หากไฮโดรเจนและออกซิเจนผสมกัน พวกมันสามารถก่อตัวเป็นส่วนผสมที่ระเบิดได้ ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่สำคัญ ดังนั้นไดอะแฟรมจึงทำหน้าที่เป็นอุปสรรคด้านความปลอดภัย เพื่อให้มั่นใจว่าก๊าซที่ผลิตที่แคโทดและแอโนดจะยังคงแยกจากกัน

3. ฉนวนไฟฟ้า

ไดอะแฟรมยังทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า ป้องกันการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างอิเล็กโทรด สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่ากระบวนการอิเล็กโทรลิซิสจะดำเนินไปในลักษณะที่ควบคุมได้ โดยที่กระแสไฟฟ้าจะถูกจำกัดให้อยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์เท่านั้น ดังนั้นไดอะแฟรมจึงช่วยรักษาประสิทธิภาพของกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสโดยการรับรองว่ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านเฉพาะเส้นทางไอออนที่ตั้งใจไว้เท่านั้น

บทบาทของ BoLian ในอุตสาหกรรมไฮโดรเจน

BoLian บริษัทที่อยู่ในแนวหน้าของเทคโนโลยีผ้ากรองและวัสดุเมมเบรน ได้ตระหนักถึงความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของการผลิตไฮโดรเจนในบริบทของความพยายามทั่วโลกในการลดการปล่อยคาร์บอน ไฮโดรเจนถูกมองว่าเป็นรากฐานสำคัญของการเปลี่ยนผ่านไปสู่เศรษฐกิจคาร์บอนต่ำมากขึ้นเรื่อยๆ โดยนำเสนอโซลูชันพลังงานที่สะอาดและยั่งยืนสำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ ด้วยความเชี่ยวชาญอย่างลึกซึ้งในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ BoLian ได้ยอมรับบทบาทของการสร้างสรรค์นวัตกรรมวัสดุเมมเบรนสำหรับการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ ซึ่งเป็นวิธีการที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนที่สุดในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว เมมเบรนนวัตกรรมเหล่านี้มีความสำคัญต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของระบบอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการผลิตไฮโดรเจนสามารถตอบสนองความต้องการของเป้าหมายการลดคาร์บอนทั่วโลกได้

ในปี 2024 BoLian ได้เสริมความแข็งแกร่งให้กับตำแหน่งของตนโดยการประกาศความร่วมมือเชิงกลยุทธ์กับมหาวิทยาลัย Dalian Polytechnic ความร่วมมือนี้มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุเมมเบรนคอมโพสิตที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการผลิตไฮโดรเจน เป้าหมายคือการอัพเกรดวัสดุไดอะแฟรมที่มีอยู่ ปรับปรุงประสิทธิภาพในแง่ของการนำไอออน ความแข็งแรงทางกล และความต้านทานทางเคมี การวิจัยล้ำสมัยของ BoLian ได้นำไปสู่การพัฒนาเมมเบรนคอมโพสิตใหม่ที่ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเท่านั้น แต่ยังมีความสามารถในการปรับขนาดที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่จำเป็นสำหรับการผลิตไฮโดรเจนในระดับขนาดใหญ่ คาดว่าความก้าวหน้าเหล่านี้จะมีบทบาทสำคัญในการลดต้นทุนโดยรวมของไฮโดรเจนสีเขียว ทำให้สามารถแข่งขันกับแหล่งพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลแบบดั้งเดิมได้มากขึ้น

บทสรุป

การผลิตไฮโดรเจนผ่านการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำมีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในความพยายามระดับโลกในการบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอน เมื่อความต้องการพลังงานสะอาดเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของระบบอิเล็กโทรลิซิสจะมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองว่าไฮโดรเจนยังคงเป็นทางเลือกที่ใช้การได้แทนเชื้อเพลิงฟอสซิล ประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น โครงสร้างเมมเบรน ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ ระยะห่างของอิเล็กโทรด และอุณหภูมิ วัสดุไดอะแฟรมโดยเฉพาะมีความสำคัญต่อการรับรองความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานของระบบอิเล็กโทรลิซิส โดยการให้ฟังก์ชันที่จำเป็น เช่น การแยกก๊าซ การขนส่งไอออน และการเป็นฉนวนไฟฟ้า นวัตกรรมในวัสดุเหล่านี้จะมีความสำคัญต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอิเล็กโทรลิซิสและทำให้ไฮโดรเจนเป็นที่ยอมรับอย่างแพร่หลายในฐานะแหล่งพลังงานสะอาด

ในขณะที่อุตสาหกรรมไฮโดรเจนยังคงเติบโต การพัฒนาเทคโนโลยีเมมเบรน เช่นที่พัฒนาโดย BoLian จะเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์อิเล็กโทรลิซิส นวัตกรรมเหล่านี้จะช่วยลดการใช้พลังงานในการผลิตไฮโดรเจนและเพิ่มความสามารถในการขยายระบบ เร่งการยอมรับไฮโดรเจนสีเขียวเป็นส่วนประกอบสำคัญของอนาคตพลังงานคาร์บอนต่ำ ด้วยการวิจัยอย่างต่อเนื่องและความร่วมมือเชิงกลยุทธ์ BoLian พร้อมที่จะอยู่ในแนวหน้าของสาขาที่น่าตื่นเต้นและพัฒนาอย่างรวดเร็วนี้ มีส่วนร่วมในการขับเคลื่อนทั่วโลกสู่โซลูชันพลังงานที่ยั่งยืน