В Швеции предложили производить водород безопаснее, проще и эффективнее

Новый метод производства водорода описали шведские исследователи. Они заявили, что их технология устраняет риск взрыва и потребность в редкоземельных металлах при эффективности в 99%. Инновация обещает более лёгкую интеграцию с возобновляемыми источниками энергии и предполагает значительный потенциал для коммерческого применения.


Для начала напомним читателям о классической технологии. Электролиз — это электрохимические процессы под воздействием постоянного тока от внешнего источника. Для электролиза необходим аппарат — электролизёр, он же электролитическая ванна. Электролизёр состоит корпуса (ванны) с электролитом, двух или нескольких электродов (катодов и анодов), сжатых между собой концевыми плитами и отделённых изолирующими прокладками. При прохождении через электроды постоянного тока на стороне катода выделяется водород, а на стороне анода получается кислород. Аноды бывают из графита, платины, оксидов железа, свинца, никеля с вариациями и сочетаниями перечисленных материалов. Веществом для катодов в большинстве электролитических ванн выступает сталь. В наши дни в электролизёрах также часто применяют пластмассы, стекло, стеклопластики и керамику.

Что касается новации, то в Королевском технологическом институте (KTH), Стокгольм, придумали, как изменить традиционный электролиз для получения водорода в виде газа. В отличие от существующих систем благодаря изобретению оба газа — кислород и водород — получаются по отдельности, а не одновременно в одной ёмкости. В противном случае в ванне их приходится разделять мембранами, так как смесь водорода с кислородом или с воздухом взрывоопасна.

Разделение производства двух газов исключает риск взрыва, объяснил Эстебан Толедо, аспирант KTH и соавтор соответствующей публикации в журнале Science Advances («Научные достижения»). Второй соавтор — Джойдип Дутта, профессор прикладной физики KTH. Коллеги запатентовали систему получения водорода, создав также компанию Caplyzer AB ради коммерческого развития технологии.

Дутта отметил, что эффективность полученного водорода составила 99%. Кроме того, новый метод, в отличие от прочих, устраняет необходимость в использовании в конструкции редкоземельных металлов. Исследователи также сообщили, что длительные опыты в лаборатории не привели к разрушению электродов в установке, что важно для коммерческого применения.

При извлечении водорода из воды образуется кислород. Конструкция традиционного щелочного электролизёра содержит положительный и отрицательный электроды в ванне со щелочной водой, разделённые проницаемым для ионов барьером. При подаче электротока вода реагирует на катоде с образованием водорода и отрицательно заряженных гидроксид-ионов. А те проникают через барьер к аноду с образованием кислорода. Но мембрана обладает сопротивлением, и если электрический заряд колеблется, то повышается опасность взрывоопасной встречи кислорода с водородом.

Толедо сказал, что переосмысление электролиза воды закладывает основу для более надёжного производства экологически чистой энергии. А поскольку изобретатели исключили смешивание газов, они могут работать в более широком диапазоне потребляемой мощности. Они решили, что это намного проще, чем использовать возобновляемые источники энергии, которые обычно обеспечивают переменную мощность.

Одновременное производство газов устраняется заменой одного из электродов сверхъёмким электродом из углерода. Такие электроды попеременно накапливают и высвобождают ионы, эффективно разделяя производство водорода и кислорода.

Если электрод заряжен отрицательно и выдаёт водород, то суперконденсатор накапливает энергетически насыщенные ионы гидроксида (OH). При изменении направления тока суперконденсатор высвобождает поглощённое соединение OH, и на ставшем положительным электроде образуется кислород.

За выделение кислорода и водорода отвечает один электрод, объяснил Дутта. Это весьма похоже на аккумуляторную батарею, которая вырабатывает водород и при этом попеременно то заряжается, то разряжается. Всё дело, пояснил учёный, в замыкании цепи.