Électrolyse de l'eau pour produire H2 et O2
Les anodes en titane, éléments clés des équipements électrolytiques à hydrogène et à oxygène, ont une qualité stable, sont respectueuses de l'environnement et n'ont pas de pollution secondaire, un faible surpotentiel, un bon effet d'économie d'énergie et peuvent économiser 15-20 % d'énergie. Il existe des formes de plaques, de treillis, de tubes et de pièces de forme spéciale.
1. Progrès de la recherche sur la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est un moyen important pour réaliser une préparation industrielle et peu coûteuse de H2, et peut produire des produits d'une pureté de 99 % à 99,9 %. Chaque année, la consommation électrique de mon pays pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau atteint plus de (1,5×107) kWh. Lorsque le courant passe entre les électrodes, de l’hydrogène est produit à la cathode, de l’oxygène à l’anode et de l’eau est électrolysée [2]. La partie centrale de l’équipement de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est la cellule électrolytique, et le matériau de l’électrode est la clé de la cellule électrolytique. La qualité des performances de l'électrode détermine en grande partie la tension des cellules et la consommation d'énergie de l'électrolyse de l'eau, et affecte directement le coût. L'efficacité de la fourniture d'électricité pour décomposer l'eau afin de produire de l'hydrogène est généralement de 75 à 85 %. Le processus est simple et non polluant, mais la consommation d'énergie est importante, son application est donc soumise à certaines restrictions. L'électrolyse de l'eau est réalisée dans une cellule électrolytique remplie d'électrolyte et divisée en une chambre anodique et une chambre cathodique par un diaphragme. Des électrodes sont placées dans chaque chambre. L'eau ayant une très faible conductivité, une solution aqueuse (concentration d'environ 15 %) avec électrolyte est utilisée. Lorsque le courant passe entre les électrodes à une certaine tension, de l'hydrogène est produit à la cathode et de l'oxygène à l'anode, réalisant ainsi l'électrolyse de l'eau. Théoriquement, les métaux platine sont les métaux les plus idéaux pour les électrodes d'électrolyse de l'eau, mais en pratique, les électrodes en fer nickelées sont souvent utilisées pour réduire les coûts d'équipement et de production. Lorsque l'eau est électrolysée, la formule de réaction de l'électrode est la suivante [3]. En solution acide, réaction cathodique : 4H++4e=2H2∏=0V Réaction anodique : 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V En solution alcaline, réaction cathodique : 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Réaction anodique : 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Comme le montre la formule ci-dessus, la réaction globale de l'électrolyse de l'eau est la suivante, que ce soit en solution acide ou alcaline. 2H2O=2H2+O2 La tension de décomposition théorique de l'eau n'a rien à voir avec la valeur du pH, des solutions acides ou alcalines peuvent donc être utilisées comme électrolytes. Cependant, du point de vue de la structure de la cellule électrolytique et du choix des matériaux, l'utilisation de solutions acides est sujette à divers défauts. C’est pourquoi les solutions alcalines sont désormais utilisées dans l’industrie.
(1) Technologie d'électrolyse alcaline traditionnelle L'électrolyse alcaline de l'eau est actuellement une méthode courante et mature pour préparer l'hydrogène. Cette méthode ne nécessite pas d'équipement élevé, et l'investissement est principalement concentré dans l'équipement ; l'hydrogène produit est d'une grande pureté, mais le rendement n'est pas très élevé. Le procédé est également relativement respectueux de l'environnement et non polluant, mais il consomme beaucoup d'électricité et est donc soumis à certaines limitations. La pression de l'électrolyse de l'eau dans l'industrie est généralement comprise entre 1,65 et 2,2 V. La durée de vie du matériau de l'électrode et la consommation d'énergie de l'électrolyse de l'eau sont des facteurs clés pour évaluer la qualité des matériaux des électrodes d'électrolyse de l'eau alcaline. Lorsque la densité de courant n'est pas importante, le principal facteur d'influence est la surtension ; lorsque la densité de courant augmente, la surtension et la chute de tension de résistance deviennent les principaux facteurs de consommation d'énergie. Dans les applications pratiques, les électrodes industrielles doivent avoir les caractéristiques suivantes [3] : (1) surface élevée ; (2) conductivité élevée ; (3) bonne activité électrocatalytique ; (4) stabilité mécanique et chimique à long terme ; (5) petites précipitations de bulles ; (6) haute sélectivité ; (7) facile à obtenir et peu coûteux ; (8) sécurité. L'électrolyse de l'eau nécessite souvent une densité de courant plus importante (supérieure à 4000 A/m2), les points 2 et 4 sont donc plus importants. Étant donné qu'une conductivité élevée peut réduire la perte d'énergie provoquée par la polarisation ohmique, une stabilité élevée garantit la longue durée de vie des matériaux d'électrode. 1 et 3 sont les exigences pour réduire le surpotentiel de dégagement d'hydrogène et d'oxygène, et sont également des indicateurs importants pour évaluer les performances des électrodes.
(2) Technologie d'électrolyse de l'eau SPE à électrolyte polymère solide Étant donné que l'électrolyseur avec un liquide comme électrolyte a une faible efficacité, est peu pratique à déplacer et nécessite souvent un entretien, les gens recherchent activement de nouveaux électrolytes, ce qui a incité au développement et à la recherche d'applications de polymère solide. électrolyte (SPE), également connu sous le nom de membrane échangeuse de protons (PEM). À l'heure actuelle, l'électrolyseur utilise une membrane solide d'acide perfluorosulfonique Nafion comme électrolyte. L'électrode utilise des métaux précieux ou leurs oxydes à haute performance catalytique, qui sont transformés en poudre avec une grande surface spécifique, et sont liés et pressés des deux côtés de la membrane Nafion à l'aide de Téflon pour former une combinaison stable de membrane et d'électrode.
(3) Processus d'électrolyse à la vapeur à haute température Une autre méthode de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est l'électrolyse à la vapeur à haute température. Il s’agit d’une méthode dérivée des piles à combustible à oxyde solide. La chambre d'électrolyse utilise généralement du ZrO2 stabilisé au Y2O3- comme électrolyte. Plus la température est élevée, plus la résistance est faible. Cependant, du point de vue de la résistance thermique du matériau, la limite supérieure de température est de préférence de 1 000 degrés. Habituellement, un corps fritté mixte de nickel et de céramique est utilisé comme cathode, et un oxyde composite conducteur de calcium et de titane est utilisé comme anode.
2. Développement de la production biologique d'hydrogène Le thème de l'utilisation de micro-organismes pour produire de l'hydrogène est étudié depuis des décennies. Dans les années 1930, le premier signalement d’une fermentation bactérienne sombre produisant de l’hydrogène a été signalé. Par la suite, en 1942, Gaffron et Rubin rapportèrent que les algues vertes utilisaient l’énergie lumineuse pour produire de l’hydrogène, et en 1949, Gest et Kamen découvrirent des bactéries phototrophes productrices d’hydrogène. Spruit a confirmé en 1958 que les algues peuvent produire de l'hydrogène par photolyse directe sans avoir besoin de fixer du dioxyde de carbone. Les recherches de Healy (1970) ont montré que lorsque l'intensité lumineuse est trop élevée, le processus de production d'hydrogène de Chlamydomonas moewsuii sera inhibé en raison de la production d'oxygène. Pendant la crise énergétique des années 1970, de nombreuses recherches ont été menées sur la production de biohydrogène dans le monde. Thauer a souligné en 1976 que la fermentation sombre était difficile à appliquer dans la production réelle car elle ne pouvait produire que 4 moles d'hydrogène et 2 moles d'acide acétique à partir d'1 mole de glucose au maximum. Les bactéries phototrophes peuvent convertir complètement des substrats tels que les acides organiques en hydrogène, c'est pourquoi depuis lors, la recherche sur la production de biohydrogène s'est principalement concentrée sur la photofermentation. Au début des années 1980, le soutien aux énergies renouvelables dans les programmes de recherche et développement (R&D) à travers le monde a progressivement diminué. Au début des années 1990, les problèmes environnementaux devenaient de plus en plus graves et l'attention de la population se tournait vers les énergies alternatives. Avec le soutien de la R&D sur la production de biohydrogène en Allemagne, au Japon et aux États-Unis, le domaine des algues utilisant l’énergie lumineuse pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau a été largement étudié. Cependant, l’efficacité globale de la conversion de l’énergie solaire dans ce processus est encore très faible. D’un autre côté, la fermentation sombre et les bactéries phototrophes peuvent produire de l’hydrogène à partir de substrats peu coûteux ou de déchets organiques. Puisqu’il peut à la fois produire de l’énergie propre et traiter les déchets organiques, les gouvernements américain et japonais ont soutenu plusieurs programmes de recherche à long terme. On s’attend à ce que l’application pratique de la technologie de production de biohydrogène soit réalisée au milieu du 21e siècle. Cela fait plus d’un demi-siècle depuis la découverte de la production microbienne d’hydrogène, mais la production de biohydrogène n’a pas été appliquée dans la pratique. De nombreux problèmes techniques restent à résoudre, tels que le criblage des micro-organismes, la conception des réacteurs et l'optimisation des conditions d'exploitation, et le coût de cette technologie a également retenu l'attention. D’un point de vue économique, la technologie de production de biohydrogène ne peut pas rivaliser avec la technologie traditionnelle de production chimique d’hydrogène dans un avenir proche. Toutefois, du point de vue de la protection de l’environnement, les perspectives de production de biohydrogène seront très larges. La production de biohydrogène comprend : le système de production de biohydrogène photosynthétique (également connu sous le nom de système de production d'hydrogène par biophotolyse directe) ; système de production de biohydrogène par photolyse (également connu sous le nom de système de production d'hydrogène par biophotolyse indirecte) ; système de production d'hydrogène de réaction de conversion de gaz d'eau de bactéries hétérotrophes photosynthétiques ; système de production de biohydrogène par photofermentation ; système de production de biohydrogène par fermentation anaérobie (également connu sous le nom de système de production de biohydrogène par fermentation sombre) ; système de production de biohydrogène hybride photosynthèse-fermentation ; système de production de biohydrogène d'hydrogénase in vitro, etc. L'énergie hydrogène est une source d'énergie propre et à haut pouvoir calorifique. Utiliser les ressources en eau renouvelables de la nature pour produire de l’hydrogène est sans aucun doute la méthode privilégiée par l’humanité à l’avenir.
Après plus d'un demi-siècle de recherche, bien que la technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et la technologie de production de biohydrogène aient fait de grands progrès, elles en sont encore fondamentalement au stade de développement et n'ont pas encore été mises en pratique. Divers facteurs restrictifs tels que le faible rendement de conversion de l'énergie solaire, la consommation d'énergie élevée de la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, l'inhibition du produit, les conditions de fonctionnement, etc. rendent le taux de production d'hydrogène des systèmes de production d'hydrogène existants pas assez élevé ou pas économique, et de nombreux autres goulots d'étranglement sont nécessaires. être encore percé. Afin de réduire davantage les coûts de production et d'accroître l'efficacité de la production, nous préparerons les futures opérations commerciales.
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