Hybride zure-alkalische waterelektrolyse is een nieuwe elektrochemische technologie. Het maakt waterstofgas uit water. Het werkt anders dan de traditionele waterelektrolysetechnologie. Traditionele elektrolysesystemen gebruiken slechts één type elektrolyt. Ze werken onder alkalische omstandigheden of zure omstandigheden in de hele elektrolysecel. Bij hybride zure-alkalische waterelektrolyse worden twee afzonderlijke elektrolyten gebruikt. Eén celkamer bevat een zure oplossing. De andere celkamer bevat een alkalische oplossing. Tussen de twee kamers bevindt zich een speciaal membraan. Dit membraan voorkomt dat het zuur en de alkali elkaar neutraliseren.
Deze speciale opstelling zorgt ervoor dat elke halve chemische reactie in de beste pH-conditie plaatsvindt. De waterstofevolutiereactie (HER) vindt plaats in de zure kamer. De HER-reactie verloopt sneller in zure, vloeibare omgevingen. De zuurstofontwikkelingsreactie (OER) vindt plaats in de alkalische kamer. De OER-reactie verloopt sneller in alkalische vloeibare omgevingen. Elke chemische reactie werkt onder gunstige kinetische omstandigheden.
De twee kamers hebben verschillende pH-waarden. Dit verschil vormt een chemische potentiaalgradiënt. Deze gradiënt verandert de omkeerbare waterstofelektrodepotentiaal op beide elektroden. Deze verandering verlaagt de externe spanning die nodig is om watermoleculen te splitsen. Het systeem combineert chemische potentiële energie en elektrische energie. Deze combinatie verlaagt het totale energieverbruik van het proces.
Belangrijkste componenten van het systeem
Bipolair membraan (BPM). De BPM is het kernonderdeel van het systeem. Het heeft een kationenuitwisselingslaag (CEL) en een anionenuitwisselingslaag (AEL). De twee lagen hechten zich aan elkaar. Een waterdissociatiekatalysator blijft op de verbinding van de twee lagen. De BPM produceert protonen en hydroxide-ionen onder omgekeerde-voorspanningspolarisatie. Protonen verplaatsen zich naar de zure kamer. Hydroxide-ionen verplaatsen zich naar de alkalische kamer. De BPM houdt de stabiele pH-gradiënt in de elektrolysecel.
Elektroden. De anode wordt in de alkalische kamer geplaatst. De anode ondersteunt de OER-reactie. Materialen op basis van nikkel- zijn het gebruikelijke basismateriaal voor anoden. Nikkel geweven gaas is een betrouwbaar platform voor elektrodewerk. De kathode wordt in de zure kamer geplaatst. De kathode ondersteunt de HER-reactie. Bifunctionele elektrokatalysatoren kunnen zowel HER- als OER-reacties aansturen. Kobalt-nikkelfosfide nanodraadelektroden hebben deze bifunctionele prestaties.
Prestatievoordelen
Veel onderzoekstests bewijzen dat deze technologie betere werkprestaties levert. De waterstofproductiesnelheid is bij 2,2 V vier keer hoger dan bij traditionele alkalische elektrolyse. Het energieverbruik daalt met ongeveer 30% bij een stroomdichtheid van 200 mA/cm². Het systeem bereikt een stroomdichtheid van 200 mA/cm² met slechts 1,39 V celspanning. Deze prestaties zijn beter dan die van de meeste traditionele waterelektrolyseapparaten. De op BPM-gebaseerde asymmetrische waterelektrolyse is een goed alternatief voor traditionele protonenuitwisselingsmembraansystemen en anionenuitwisselingsmembraansystemen.
Deze technologie ondersteunt het ontwerp en de productie van elektrolyzers op grote-schaal. Het maakt flexibele aanpassingen aan de elektrolytsamenstelling mogelijk. Het systeem kan werken met de nieuwste geavanceerde elektrokatalysatoren. Het systeem heeft een stabiel werkvermogen op de lange- termijn. Eén enkele circulerende elektrolyseur draait stabiel gedurende meer dan 25 uur. Het behoudt een stroomdichtheid van 10 mA/cm² bij 1.550 V. Het systeem kan ook werken met zonne-energie met een spanning van 0,908 V.
