Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометров
Не секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?
Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы.
На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется нафион или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.
Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.
Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами H2 и O2 сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!
Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.
Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.
Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.
Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).
Комментарии (19)
forgotten
29.04.2015 09:02+6Для электролиза водорода требуется ровно столько же энергии, сколько выделится при горении, плюс накладные расходы. Даже если разработать уникальный супер-эффективный электролиз, он всё равно останется просто опасным способом аккумулировать электрическую энергию с КПД = КПД электролиза * КПД топливной ячейки.
neverice
29.04.2015 10:43+2Зато водород позволяет хранить энергию со значительно более высокой плотностью и дешевле, чем аккумуляторные батареи при относительно близком КПД. Тойота практически решила проблему безопасного хранения водорода. Плюс, сама проблема хранения и дешевого электролиза выглядит проще, чем разработка дешевых и емких аккумуляторов. Другими словами, не смотря на свои недостатки, водород является весьма перспективным средством хранения энергии.
forgotten
29.04.2015 10:54+4Может быть. Мне, признаться, некогда в этом рыться.
Я про то, что из статьи может сложиться впечатление, что найден какой-то дешёвый способ получения *топлива*, т.е. чего-то с EROEI > 1. Это не так — найден потенциально более дешёвый способ делать аккумуляторы.
mdaemon
29.04.2015 16:02+4тут все немного не так, да жидкий водород превосходит по плотности хранения аккумуляторы в 4 раза, (что кстати вовсе не так уж значительно) но хранение жидкого водорода еще та задача, сводящая на нет все плюсы…
А остальные способы хранения водорода имеют гораздо худший результат по плотности энергии на литр.
Кстати по этому показателю водород в 4 раза уступает обычному бензину…Sherd
29.04.2015 18:15-1А мне интересно, почему не обойти проблему хранения водорода просто не храня его.
Например, если эта система с таким хорошим КПД, то в бак автомобиля заливается вода, при старте с аккамулятора берется начальное напряжение для запуска процесса электролиза и дальше все как в ДВС.
Понятно, что я сильно упрощаю, но как концепция, почему нет?
melmaxnvk
29.04.2015 19:06Вода это не топливо, топливо — водород. А чтобы его получить нужно затратить энергию, которую надо откуда-то взять. В ДВС бензин — уже готовое топливо.
Mad__Max
05.05.2015 10:19Это если по объему считать, зато по весу(на кг) — водород напротив самый энергоемкий элемент во вселенной.
Примерно в 2.5 раза превосходит бензин, ну а аккумуляторы вообще и близко не стояли.
Но как его нормально хранить, это да, большая проблема. А так бы аккумуляторы и водородные ячейки хорошо дополняли бы друг друга:
аккумуляторы — для кратковременного хранения (например суточные циклы)
водород — для долговременного хранения (например годичные циклы, скажем запасать избыток энергии солнечных батарей летом и ветряков осенью, чтобы использовать ее зимой, когда выработка этих типов минимальна, а потребность в энергии — наоборот максимальна)
DrPass
29.04.2015 09:11+9Я, честно говоря, удивлен. Когда четверть века назад в школе делал электролиз по детской книжке «Опыты без взрывов», никакой проблемы с разделением газов не было. Вокруг катода выделяется исключительно кислород, вокруг анода — исключительно водород. Обернул электроды любой пластиковой, стеклянной или еще какой нейтральной к среде трубкой со свободным доступом электролита, и продукты электролиза собираются только в этой трубке. А оно, оказывается, нерешенная в промышленных масштабах проблема…
eaa
29.04.2015 13:03Ура! Несколько лет не мог вспомнить название этой книги, теперь опять с удовольствием прочитаю, супер книга для каждого начинающего химика.
kenoma
29.04.2015 14:18Думается мне, если расщепление на водород и кислород происходит в непосредственной близости от электрода, то велика вероятность, что ион водорода\кислорода не успеет переместиться к противоположному электроду и попадет в собираемую емкость. Плюс, скорее всего в статье речь идет о переменном токе для электролиза.
BubaVV
29.04.2015 15:50+2Фишка не в том. Простой электролиз по книжке никто не отменял. Но вода сильно греется из-за своего сопротивления, и в большом электролизеры киловатты греют воздух. Мембранный электролиз в этом смысле намного экономичней, но мембрана дорогая и нежная. А тут ее устранили, и уменьшили вроде бы потери
Mad__Max
05.05.2015 10:07А я и не читал даже — сам «изобрел» подобный метод. Про электролиз-то в школьком учебнике по физике прочитал, а вот как разделить получающиеся газы уже сам придумал, т.к. в учебнике про это написано не было, в библиотеки за доп. материалами я ходить не любил, а интернета еще не было.
Впрочем у такой примитивной технологии КПД не очень, для его повышения стараются приближать электроды как можно ближе друг к другу — и отсюда и вылезает проблема с разделением газов, которая таким простым способом уже не решается.
veam
29.04.2015 11:27Сейчас и так можно очень дешево получать водород из угля и воды.
Все проблемы во взрывоопасности и в летучести.Mad__Max
05.05.2015 10:11Не только — таким методом получается довольно «грязный» водород. Который хорошо подходит в качестве топлива для сжигания (в т.ч. в поршневом ДВС), но плохо подходит для топливных элементов, которые преобразуют его в эл.энергию — они быстро портятся от примесей содержащихся в таком водороде.
В результате, чтобы этого избежать нужно проводить качественную очистку, что сводит на нет преимущества по цене и «чистый» водород для топливных элементов сейчас проще (дешевле) получать электролизом.
Iv38
А проблема хранения водорода уже решена что ли? Хранение под большим давлением не внушает доверия, требует затрат энергии на сжатие. Сорбционные методы не обеспечивают приемлемой плотности энергии.
Grox
Можно будет более эффективно запасать таким образом энергию, от возобновляемых источников или ночью.
Iv38
Можно. Но хранить-то водород все равно придется. Так что стоимость электролиза все равно не единственная проблема.