Alkalielektrolyysin elektrodimateriaalien sähkökemiallinen karakterisointi

Abstract

Fossiilisten polttoaineiden käyttö jatkaa tasaista laskuaan, mutta maailman primäärienergian kulutus kuitenkin kasvaa jatkuvasti. Uusiutuvan energiantuotannon lisääntyminen luo energiajärjestelmiin tuotannon kausittaista vaihtelua, jonka tasaamiseen tarvitaan energian varastointia. Vedyn tuotantoteknologioilla voi olla suuri rooli näiden ongelmien ratkaisussa. Vesi on merkittävin kestävän vedyn lähde, sillä sitä on runsaasti saatavilla ja veden elektrolyysiprosessi soveltuu hyvin yhteen uusiutuvan energian tuotantomuotojen kanssa.

Diplomityössä on suunniteltu ja otettu käyttöön alkalielektrolyysin elektrodimateriaalien sähkökemialliseen karakterisointiin soveltuva testikenno oheislaitteineen. Työssä on vertailtu eri materiaalien soveltuvuutta sekä anodi- että katodireaktiossa mittaamalla kenno- ja elektrodijännitteitä galvanostaattisesti. Karakterisointi on toteutettu kaikille materiaaleille sekä 25 että 50 °C:n lämpötilassa.

Karakterisoinnin perusteella nikkeli, nikkelipinnoitettu ruostumaton teräs ja nikkelivaahto soveltuvat sekä anodi- että katodipuolelle. Katodina nikkelivaahto toimii näistä materiaaleista parhaiten. Raneynikkeliverkko soveltuu katodimateriaaliksi muita testattuja materiaaleja paremmin. Anodipuolella Raneynikkelin mittaustulokset olivat vastaavasti heikoimmat. Raneynikkeliverkon aktivoiminen vetykaasuvirtauksessa parantaa kuitenkin huomattavasti sen soveltuvuutta anodiksi kaupallisten elektrolyysereiden lämpötila-alueella. Mittaustulosten perusteella lämpötilan kasvattaminen pienentää jännitteitä kaikilla elektrodimateriaaleilla.

The use of fossil fuels continues to steadily decrease, but the world's primary energy consumption is still constantly increasing. The increase in renewable energy production creates a seasonal variation in production in energy systems, which requires energy storage to compensate for. Hydrogen production technologies can play a significant role in solving these problems. Water is the most significant source of sustainable hydrogen as it is abundantly available, and the water electrolysis process is well suited to renewable energy production forms.

In this thesis, a test cell with peripherals suitable for the electrochemical characterization of electrode materials in alkaline electrolysis has been designed and put into use. The work has compared the suitability of different materials in both anode and cathode reactions by measuring cell and electrode voltages galvanostatically. Characterization has been carried out for all materials at both 25 and 50 °C.

Based on the characterization, nickel, nickel-plated stainless steel and nickel foam are suitable for both the anode and cathode sides. As a cathode, nickel foam works the best of these materials. Raney nickel mesh is more suitable as a cathode material than other tested materials. On the anode side, the Raney nickel measurement results were correspondingly the weakest. However, the activation of the Raney nickel mesh in a hydrogen gas flow significantly improves its suitability as an anode in the temperature range of commercial electrolyzers. Based on the measurement results, increasing the temperature reduces voltages with all electrode materials.