独自の技術

革新的な独自技術

デュアルTCE(熱化学電解)

水素は、炭素のない世界に最適なエネルギー担体です。 水素燃焼時に発生するCO2はありません。 ただし、かなりの量の水素 は今日、大量のCO2を排出する化石燃料を大量に消費する技術を使用して生産されており、世界的な脱炭素化の可能性を損なっています。

水から水素を抽出することもできます。 電気分解はこの手順の名前であり、電気の使用を必要とします。 電気なら 再生可能資源から供給されるため、この手順ではCO2は発生しません。 残念ながら、水の電気分解は非効率的で高価であり、競争力がありません 従来の化石燃料抽出方法を使用します。 私たちの目標は、化石燃料と競合できる水分解技術を開発することです。 費用。

エネルギー貯蔵

再生可能エネルギーへの移行全体を完了するには、エネルギーを入手したときに貯蔵し、必要なときに使用する必要があります。 たとえば、太陽エネルギーは 日中に保管され、夜に、あるいは夏から冬にさえ使用されます。

太陽エネルギーと風力エネルギーは水素に蓄えられ、必要に応じて電気に変換されます。 たとえば、バッテリーは別のものです エネルギーを蓄える技術。 一方、バッテリーでストレージ容量を増やすには、新しいバッテリーを購入する必要がありますが、 水素の貯蔵容量は、追加のタンクの購入を必要とします。

 

電気分解の課題

水の電気分解は新しい概念ではありません。 1789年に最初に発見され、1世紀以上にわたって商用アプリケーションで使用されてきました。 何世紀にもわたってこの何世紀も前の技術をアップグレードすることでなされた進歩にもかかわらず、それはまだ広範囲に及ぶことを制限する根本的な欠陥を持っています 可決:

 

高い設備費

膜は電解槽の複雑さに寄与し、その結果、製造コストが高くなります。 PEM(高分子電解質膜)電解槽 貴金属の使用が必要になり、価格が高くなります。 水素圧が低いため外部コンプレッサーが必要であり、冷却は 非効率的なプロセスによって発生する熱のために必要であり、それは機器のコストを増加させます。

 

低効率

最新の電気分解の効率は60〜70%です。 この低効率の結果として、グリーン水素のコストは急速に上昇します。

 

安全性

電気分解は水素と酸素の両方を同時に生成し、危険で爆発性の混合物をもたらす可能性があります。

Dual-TCE(熱化学電解)は、水を分解するための画期的な技術です。 電解水素製造には技術的なハードルがあります 効率の向上、経済的価値、グローバルな統合の可能性の観点から。 従来の水の水の酸化および還元反応 電気分解は、同じセル内のアノードとカソードで同時に発生するため、時間と空間がリンクしています。

製品の分散などの課題があり、これは材料の選択と処理に重要な制限を課しています 条件。 プロセスを2つの段階に分割することにより、特定の反応を切り離します。陰極で水を還元する電気化学的段階と アノードを酸化し、より高い温度で水を酸化することによってアノードを初期状態に戻す自発的な化学的段階。 で メンブレンフリーの2電極セルにより、完全な水分解が可能になります。 これは、単純な循環プロセスで水素を生成するのに役立ちます。 効率、耐久性、安全性、スケールアップの可能性が高い。

Dual-TCEは、水から水素を生成する新しい方法です。 気候変動は、私たちの時代が直面している最も差し迫った問題です。 CO2を削減する必要があります 化石燃料からの排出量をできるだけ早く正味ゼロにするか、深刻な結果を経験します。 理想的な化石燃料であるグリーン水素 代替案は、これらのグローバルな目標を達成するための鍵です。 化石燃料のように燃やしたり、燃料電池を使ってCO2を含まないエネルギーに変換したりできます。 排出量、単に水。

標準的な水電解プロセスの75%の効率と比較すると、Dual-TCEは95%のエネルギー効率を提供する最初のテクノロジーです。 デュアルTCEデバイスは、より安価で、よりスケーラブルで、より安全で、より高い動作圧力を備えています。 技術開発に基づいて、私たちは 近い将来、私たちは環境に配慮した環境を利用して、住宅、自動車、船舶、飛行機、燃料産業に電力を供給することができるようになります。 費用効果の高い方法で有益な水素。

Dual-TCEシステムの電気化学的プロセスは、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)の特性に基づいています。 充電式電池。 水酸化物イオンがNi(OH)2でできたアノードに到達すると、Ni(OH)2が ニッケルオキシ水酸化物(NiOOH)に加えて、カソードに移動できる多数の自由電子に変換されます。 このプロセスは、 NiOOHに変換できるNi(OH)2分子が不足します。 Dual-TCEシステムの回路が遮断され、電流が停止します そのポイントに達したときに流れる。 NiOOH分子は、その環境で自発的にNi(OH)2とO2に分解します。

Dual-TCEは、電気分解と同様に、電気を使用して水を水素と酸素に分解します。 ただし、従来の電気分解とは異なり、水素と酸素 電気化学的および熱化学的電解(TCE)の2つの段階で別々に生成されます。

Dual-TCEの膜を使用しない電解反応器は、高圧水素製造と費用効果の高いスケーリングに最適です。 この破壊的な この技術により、原子炉内の高いエネルギー効率と95%のシステム効率を維持しながら、グリーン水素の生成が可能になります。

 

なぜデュアルTCEなのか?

手頃な価格: Dual-TCEは、水素と酸素の発生反応を2つのフェーズに分離し、水素と酸素の発生を保証します。 酸素は結合しません。 これにより、電解槽の最も高価で感度の高いコンポーネントであるメンブレンが不要になります。 として その結果、Dual-TCEデバイスは製造がより簡単で安価になり、CAPEX(資本的支出)が大幅に削減されます。 デュアルTCEにより 高圧水素生成(100+ bar)、コンプレッサーの要件を最小限に抑え、関連するCAPEXとOPEX(営業費用)を削減 圧縮あり。

 

安全な: Dual-TCEは、水素と酸素を2相で生成し、2つのガス間の接触を回避して、 爆発性混合物の可能性。

 

効率的: 水が分解されると、水素と酸素の両方が生成されます。 電気ベースの酸素生成(電気化学)は 本質的に非効率的であり、25%の電力損失が発生します。 Dual-TCEは熱的に酸素を生成するため、基本的に電力はほとんどありません。 損失。 その結果、高いエネルギー効率が得られます。

 

高圧とスケールアップ

膜がないため、最大100バールの高水素が生成されます(コンプレッサーなし)。 さらに、水素生成のため 電気化学的プロセスと酸素生成化学プロセスが分離されているため、H2/O2のリスクなしに部分負荷操作が可能です。 混合により、Dual-TCE水分解は、従来の水の電気分解よりも、太陽エネルギーや風力などの再生可能エネルギー源との互換性が高くなります。

Dual-TCE技術により、高圧(産業用途に最適)および高効率でのグリーン水素製造が可能です。 さらに、Dual-TCE水分解セルにはメンブレンセパレーターがないため、この手法はスケールアップが非常に簡単で、必要なものが少なくて済みます。 従来の水の電気分解よりもメンテナンスが多いため、CAPEXとOPEXの費用が大幅に削減されます。

 

電気化学– 化学水分解

私たちが開発した方法を図1に示します。これは、アルカリ水電解(図1a)と提案された手法(図1b)を対比したものです。 なぜなら 燃料生成反応(水分解の場合は水素発生)はカソードで発生しますが、私たちの技術は基本的に水を変化させます アノードでの酸化反応。 その結果、陰極で水が水素ガスに変換され、OHが放出されます。 イオン。

熱化学電解段階では、従来の電解ではアノードで発生する4電子酸素発生反応(OER)が発生します(図。 1a)は、2つのステップに分けられます。水酸化ニッケル(Ni(OH)2)アノードの4つの一電子酸化反応と、それに続く自発的な酸素発生と アノード再生。

O-O結合は、2段階の電気化学的電気分解(Dual-TCE)サイクルの第2段階で形成されます。 酸化されたアノード(すでに水酸化ニッケル(NiOOH))は、自発的な発熱化学反応でNi(OH)2に還元され、O2と アノードを再生し、全体的な水分解反応を完了します。 私たちの戦略では、4つの金属中心を使用して、酸化的同等物を保管します。 自然系の酸素発生複合体は、基本的な酸化プロセスの可能性を平準化し、全体を最小限に抑えるのに役立ちます 反応過電圧。 私たちのアプローチは、この発展途上の業界での以前の研究と比較して、増加した分離水分解を可能にします 効率と汎用性。

 

図. 1 | アルカリ性水の電気分解とDual-TCE水分解プロセスの化学的性質。a, アルカリ性水中 電気分解は、通常、高温(50– 80 ° C)6で行われ、OERとHERは、時間と空間の両方で結合されます。 それらは、同じセルに一緒に配置されたアノードとカソードで同時に発生します。 ダイアフラムまたは陰イオン交換膜が アノードとカソードのコンパートメントとO2/H2クロスオーバーを防ぎます。 b, デュアルTCEの水分解は、2つの連続したステップで進行します。 アン 電気化学的ステップ(左)は、カソードで従来のHERによって水を還元し、水酸化ニッケルを酸化する水酸化物イオン(OH–)を放出します。 (Ni(OH)2)アノードを水酸化ニッケル(NiOOH)に変換します。 このステップの後に化学ステップ(右)が続き、NiOOHアノードが水と反応して 自発的に酸素を生成します。 最初の(電気化学)反応は周囲温度(〜25 ° C)で発生しますが、2番目の(化学)反応は 最適な反応速度を得るために、反応は高温(〜95℃)で進行します。 1番目と2番目の反応の合計は全体になります 水分解反応、2H2O →  2H2  + O2。

 

Dual-TCE生産プロセスと再生可能エネルギーシステムの接続

 

電気分解プロセスでは、電気を使用して水を水素と酸素に分解します。 このプロセスに再生可能電力を使用すると、水素は 再生可能エネルギーの補完的なキャリア。

過剰な太陽光発電と風力発電で生成された水素は、後で使用するために保存できます。 運輸、産業、その他のセクターの燃料として。 水素 プロダクションは‘スマート’として使用できます 電力システムの柔軟性を高め、経済全体の脱炭素化を支援するための負荷。

私たちの目標は、再生可能エネルギーを使用して水素を生産し、12EJに到達することでもあります の 2035.

電気分解の過程で生成された水素は、エネルギー貯蔵や熱生成などの用途の媒体として使用できます。 建物、燃料電池車への燃料補給、および産業用原料の供給源として。

再生可能エネルギーから水素を製造することで、減速を回避し、可変再生可能エネルギー(VRE)資産の投資収益率を高めることができます。 所有者、特にシステムに追加の再生可能エネルギー発電がある場合。

ネットワークの問題や需要の低さのために再生可能エネルギーを電力網に供給できない場合は、電解槽に供給して電気分解を行うことができます。 水素を生成します。 過剰な再生可能エネルギー(限界価格がほぼゼロで削減または販売される可能性が高い)は、水素を大幅に強化する可能性があります 生産経済学。 過剰な再生可能エネルギーも販売されているため、VRE資産の所有者は追加の現金を稼ぎ、電力価格へのエクスポージャーを減らすことができます。 ボラティリティ。

電気のコストは、電気分解によって水素を生成するための総コストのかなりの部分を占めています。 への電気の貢献 水素の全体的なコストは、電力のコスト、設備のサイズ、負荷時間、および電解槽の場所によって決まります。 ながら 電気のコストは水素を生成する総コストの約30%を占め、まれな状況では60%に達する可能性があります。

電解槽の負荷率は、水素の均等化発電原価(LCOH)(USD / KgH2)に正比例します。 固定費のシェアが低く、 LCOHの電気料金の割合が大きいほど、負荷率は高くなります。 その結果、 過剰な再生可能エネルギーの使用は、電解水素の費用効果を改善します。 この理由だけで、私たちは再生可能エネルギーを統合しています Dual-TCEシステムを使用して競争上の優位性を獲得します。

 

潜在的な経済的影響

私たちのチームは、デュアルTCEの95%のエネルギー効率を、現在の方法のベースラインである75%と比較しています。 20パーセントポイントの増加 エネルギー効率は重要に聞こえます、そしてそれはそうです。 これは、同じ物理的機器や同じ数量など、同じ入力で ソーラーパネルまたは風力タービンによって供給される電力では、特定の設備で25%多くの水素が生成されます。

専門家によると、Dual-TCEシステムのもう1つの重要な利点は、メンブレンフリーのアーキテクチャです。 膜の欠如または ダイヤフラムの場合、装置の資本コストは、現在の電解槽と比較して最大50%削減する必要があります。 デュアルTCE電解槽も 現在の電解槽よりも高い圧力で操作できるため、下流のプロセスとの統合が容易になります。

 

電極設計

一言で言えば、私たちのデュアルTCE水分解法は、従来のアルカリ電解水の酸化反応を2段階のサイクルに置き換えます。 これは、アノードが最初に(電気化学的に)充電され、次に(化学的に)再生されます。 私たちの最初のステップでの水素発生反応(HER) 技術はアルカリ電解の技術と同じですが、高温ではなく中程度の温度で行われる点が異なります。 温度(通常50– 80℃)。 その結果、私たちのアプローチでは、アルカリ電解で使用されるのと同じカソード材料、 ラネーニッケルまたは他のHER触媒を適用することができます。 概念実証の調査では、プラチナメッキされたニッケルコーティングされたステンレススチールメッシュを採用しています 標準化されたベンチマークHERカソードとしてのカソード。

従来のアルカリ電解とは異なる働きをするアノードは、慎重な材料の選択と最適化を必要とします。 アルカリ性溶液の一貫性; 金属水酸化物およびオキシ水酸化物相の環化性; 可逆OERよりも高い酸化還元電位 電位(1.23 VRHE)ですが、アノード材料上で酸素が発生する電位よりも低くなります。 大容量; 高速充電; と速いレート 再生は、アノードの重要な選択基準の一部です。 これらの要因はすべて、Ni(OH)2/NiOOHアノードを示しています。 エネルギー密度が高く、サイクル性が高いアルカリ二次電池。

Ni(OH)2 /NiOOH標準酸化還元電位が可逆OER電位より190mV大きいという事実にもかかわらず、OERは速度論的に抑制されます その重大な過電圧によって。 アルカリ電池が過充電されていない限り、寄生酸素なしで数百サイクルを実行できます 腫れや機能不全を引き起こす発達。 Ni(OH)2 / NiOOH反応を触媒し、酸素発生を制限する添加剤は、 過充電中に発生する可能性のある寄生虫の酸素発生を減らします。 コバルトは、最も頻繁に使用される添加剤の1つです。

アノードの電子とプロトンの伝導性はコバルトで強化され、Ni(OH)2 / NiOOH酸化還元電位は陰極的に移動し、電位を拡張します 充電と過充電の間のウィンドウ。 その結果、Ni1-xCox(OH)2アノードは、より低い電圧でより高い充電状態(SOC)に充電できます。 酸素を放出せずにドープされていないNi(OH)2の対応物。 酸素の生成を回避する必要があるバッテリーアノードとは異なり、私たちのアノードは、 デュアルTCEサイクルの第2段階。 水素生成(第1)段階では、自然発生反応を制限する必要もあります。 これは酸素発生に関連しています。

その結果、当社のアノードと動作条件は、最初の段階での酸素発生を減らし、 2番目。 ECI(電気化学的含浸)電極は、焼結または貼り付けられた電極よりも表面積が大きいため、処理できます より低い過電圧でより高い電流密度。 さらに、貼り付けられたアノードと比較した場合、ECIアノードは実質的により大きな再生を示します レート。

 

 

図。 2 | Ni0.9Co0.1(OH)2およびNiFeLDHの電気化学的特性アノード。a 、サイクリックボルタモグラム 50  mV s-1のスキャンレートで測定。 b 、1.48 VRHEでのクロノアンペロメトリー電流トレース。 c b に示されているような、10分間のアンペログラムからの、電位の関数としての定常状態の水の酸化電流のTafelプロット。 a の点線の曲線は、 cから抽出された定常状態の水の酸化電流を表しています。 すべてのグラフについて、 Ni0.9Co0.1(OH)2アノードは青で示され、NiFeLDHアノードは赤で示されています。 すべてのテストは、周囲温度で5 MKOHで実行されました。 温度

 

電気化学的説明

SOCおよびサイクリックボルタモグラムの関数としてのNi0.9Co0.1(OH)2アノードの開回路電位(OCP)を測定し、それらと比較しました。 ドープされていないNi(OH)2アノード。 10– 90パーセントのSOC範囲で、Ni0.9Co0.1(OH)2アノードのOCPは1.31– 1.41 V RHEであり、ドープされていない場合のOCPは1.31– 1.41VRHEです。 Ni(OH)2アノードは1.37–1.42VRHEです。 コバルトを含めると、陰極で電位が50 mVシフトし、 水素生成ステップ中のアノード。

結果は、Ni 0.9Co0.1(OH)2アノードを使用して達成されました。 Ni0.9Co0.1(OH)2アノードの電気化学的特性を評価し、 ベンチマークの水酸化触媒であるNiFe層状複水酸化物(LDH)。 図2aは、Ni0.9Co0.1(OH)2およびNiFeLDHのサイクリックボルタモグラムを示しています。 アノード。 陽極掃引中、Ni0.9Co0.1(OH)2陽極は、1.3VRHEで始まるNi+2からNi+3への巨大な疑似容量性酸化波を示します。 両方のアノードの水の酸化電流に先行します。

これは、電気化学的にNiFeLDH水酸化触媒よりも優れた性能を発揮することを示しています。 クロノグラム視野測定は、 疑似容量性アノード酸化電流と定常状態の水を区別するための1.3〜1.7VRHEの定電位 1.48VRHEの図2bに示すように酸化電流。

図2cに示され、図2aに重ねられた、両方のアノードの定常状態の水の酸化電流のターフェルプロットは、漸近によって生成されます。 異なる電位で得られた値(点線の曲線)。 Ni0.9Co0.1(OH)2アノードの定常状態の水の酸化電流は、 サイクリックボルタモグラムに記録された疑似容量性電流。これは、疑似容量性アノード充電反応がでの支配的なメカニズムであることを示しています。 これらの可能性。 NiFe LDHアノードの定常状態の水の酸化と疑似容量性電流を比較すると、水の酸化が 正味電流の大部分。

 

水素純度とファラデー効率

容量性エネルギーをクロノアンペロメトリー充電中に流れる総電荷と比較して、 Ni0.9Co0.1(OH)2アノード帯電反応。 完全に放電されたアノードを 1.48 VRHEの電位、その間にアノードは50Ccm-2以上充電されました。 電解質中の溶存酸素濃度を監視しました 完全に放電したアノードを1.48VRHEの定電圧で充電しながら、酸素が生成されないようにします。

55 Ccm-2の電荷まで、溶存酸素含有量の増加は検出されませんでした。 溶存酸素の濃度も下で測定されました Dual-TCEプロセスの水素生成段階に可能な限り近い条件。

1.48 VRHEで再生されたNi0.9Co0.1(OH)2アノードのクロノアンペロメトリー充電の下で、溶存酸素濃度も決定されました。 まで 3Ccm-2、どちらのシナリオでも、バックグラウンドレベルを超える溶存酸素含有量の増加は記録されませんでした。これは、酸素が生成されなかったことを示しています。 アノードを充電している間。

さらに、50 mA cm-2の定電流密度で100秒間アノードを充電すると、ガスクロマトグラフィー測定により、 密閉セルのヘッドスペースでは水素濃度は増加しますが、酸素濃度は増加しません。 これらの発見は、寄生的な副作用がないことを示しています。 酸素発生などは、アノードの充電中にデュアルTCEプロセスの水素生成ステップ中に発生します。

 

 

図3|アルカリ性溶液中でのデュアルTCE水分解。 a、アノード電位(Eanode、フル 線)および10個の連続する100  s / 100  s DUAL-TCEの水素生成ステップ中のセル電圧(Vcell、破線) 5  M KOH溶液で50  mA  cm -2の公称電流密度でサイクルします。 b 、対応する平均 各サイクルのアノード電位(Eanode、データポイント)と範囲(バー)。 c 、平均セル電圧(Vcell、データポイント)および範囲(バー) 各サイクルで。 d 、電気エネルギーの関数としての累積水素生産(1  atmおよび25 ° C) DUAL-TCEサイクル中の消費。 b の青と赤の点線は、OER反応の可能性を表しています Ni0.9Co0.1(OH)2アノードとNiFeLDHの50  mA  cm -2の定常電流で図2cから抽出 それぞれアノード。 a のセル電圧のサイクルごとの変動は、関連するサイクリング手順に起因します ステップ間でアノードを手動で切断および再接続すると、接触抵抗と直列抵抗にわずかな変動が生じます