Elektroden für alkalische Wasserelektrolyse, Wasserstoffproduktionselektrolyseure – Prinzipien, Materialien und Strukturen

Elektroden für alkalische Wasserelektrolyse, Wasserstoffproduktionselektrolyseure – Prinzipien, Materialien und Strukturen

1. Funktionsprinzip der Elektrode

Zunächst einmal die Rolle des Elektrokatalysators Elektrolyseur zur Wasserstoffproduktion ist entscheidend. Es ist der Ort, an dem eine elektrochemische Reaktion stattfindet, und der grundlegende Faktor, der die Wasserstoffproduktionseffizienz des Wasserstoffproduktionselektrolyseurs bestimmt.

Theoretisch beträgt die Spannung der Wasserelektrolyse 1,23 V und die thermisch neutrale Spannung 1,48 V. In tatsächlichen Großgeräten erreicht die Spannung einer einzelnen Elektrolysekammer jedoch etwa 2 V. Unter der Bedingung eines Betriebs mit hoher Stromdichte (d. h Da der Betriebsstrom eines industriellen Elektrolyseurs etwa 3000–4000 A beträgt, macht die elektrochemische Polarisation von Kathode und Anode einen großen Teil aus.

2. Elektrodenmaterialien und -struktur
Derzeit gibt es aus Sicht der wissenschaftlichen Forschung viele Arten von Katalysatoren für die alkalische Wasserelektrolyse, darunter Katalysatoren auf Edelmetallbasis (Pt, Pd, Au, Ag usw.) und Katalysatoren auf Nichtedelmetallbasis (Fe, Co, Ni usw.). .) und nichtmetallbasierte Katalysatoren (Kohlenstoffmaterialien usw.).

Derzeit sind die meisten in großen Elektrolysezellen verwendeten Katalysatoren Ni-basierte, reine Nickelnetze oder Nickelschaum oder hochaktive Ni-basierte Katalysatoren (Raney-Nickel, aktiviertes Nickelsulfid, NiMo-Legierung oder aktiviertes NiAl usw.), die auf dieser Basis aufgesprüht werden.

In einer Elektrolysekammer befinden sich zwei Katalysatoren, einer an der Kathode und einer an der Anode, die auf beiden Seiten des Diaphragmas verteilt sind und in direktem Kontakt mit dem Diaphragma stehen. Die Form stimmt im Allgemeinen mit der Form der Elektrolysezelle überein (im Allgemeinen kreisförmig) und ihre geometrische Fläche entspricht der effektiven Fläche der Elektrolysezelle.

Das Ni-Netz besteht im Allgemeinen aus einem kreisförmig geschnittenen Ni-Drahtgeflecht mit einer Maschenweite von 40 bis 60 Maschen, und der Durchmesser des Ni-Drahts beträgt etwa 200 µm. Obwohl die Struktur eines Ni-Drahtgeflechts einfach ist, ist seine Oberfläche viel größer als die einer Ni-Platte. Wenn die gleiche Zellspannung angelegt wird, gibt es mehr Orte für elektrochemische Reaktionen, die einen größeren Strom erzeugen können.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien In der Industrie werden die Anforderungen an Großelektrolyseanlagen immer höher. Die einfache Überlagerung von Zellen führt zu einer zu langen Länge des Elektrolyseurs, was der Montage und Installation des Elektrolyseurs nicht förderlich ist. Es gibt auch viele Probleme, wie zum Beispiel das Einsinken in der Mitte des Elektrolyseurs.

Daher ist es ein möglicher Weg, die Stromdichte durch Optimierung des Katalysators zu verbessern. Nach dem Gesetz von Faraday ist die Masse der Substanz, die an der Elektrodengrenzfläche chemische Veränderungen erfährt, proportional zur eingeleiteten Strommenge. Der Schlüssel zur Erhöhung der Stromdichte liegt in der Erhöhung der Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion auf der Katalysatoroberfläche unter einer bestimmten Zelle Spannung, die von zwei Aspekten der Eigenschaften des Katalysators abhängt, nämlich der Anzahl der katalytischen Stellen und der intrinsischen Aktivität der katalytischen Stellen.