مقدمه
با رشد نیاز جهانی به منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر، گاز هیدروژن به عنوان سوختی تمیز و کارآمد بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. یکی از روش‌های مهم برای تولید این گاز، برقکافت (الکترولیز) آب است که بدون آلایندگی محیط‌زیست، هیدروژن را از مولکول‌های آب جدا می‌کند. این فرآیند با استفاده از سلول‌های الکترولیتی انجام می‌شود و کاربردهای متعددی در صنایع، حمل‌ونقل و تولید برق دارد.
برقکافت آب چیست؟
برقکافت (الکترولیز) آب فرآیندی است که طی آن، با اعمال جریان الکتریکی، مولکول‌های آب به گازهای هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) تجزیه می‌شوند.
واکنش کلی:
2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)
این واکنش درون یک سلول الکترولیتی انجام می‌شود که شامل دو الکترود (آند و کاتد) و یک الکترولیت است.
ساختار سلول الکترولیتی
| بخش | وظیفه |
|---|---|
| کاتد (منفی) | محل تولید گاز هیدروژن (واکنش کاهش) |
| آند (مثبت) | محل تولید گاز اکسیژن (واکنش اکسایش) |
| الکترولیت | محیطی برای انتقال یون‌ها (مثلاً محلول KOH یا H₂SO₄) |
نحوه عملکرد برقکافت آب
- اعمال ولتاژ به الکترودها
جریان الکتریکی از منبع برق وارد سلول می‌شود. - در کاتد:
یون‌های +H از آب جذب الکترون شده و به گاز هیدروژن (H₂) تبدیل می‌شوند.2H⁺ + 2e⁻ → H₂(g) - در آند:
مولکول‌های آب، الکترون از دست می‌دهند و به اکسیژن (O₂) و یون H⁺ تبدیل می‌شوند.
⁻2H₂O → O₂(g) + 4H⁺ + 4e
انواع سلول‌های الکترولیز آب
- سلول الکترولیز قلیایی (AWE)
- قدیمی‌ترین روش
- از محلول‌های قلیایی مانند KOH یا NaOH استفاده می‌کند
- هزینه کمتر، ولی راندمان محدود
- سلول PEM (غشای تبادل پروتون)
- از غشای پلیمری استفاده می‌کند
- راندمان بالا، پاسخ سریع
- پرهزینه‌تر (نیاز به پلاتین)
- الکترولیز دمای بالا (SOEC)
- در دمای 700 تا 900 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود
- بازدهی بسیار بالا
- مناسب برای کاربردهای صنعتی سنگین
مزایای برقکافت آب برای تولید هیدروژن
بدون تولید گازهای گلخانه‌ای
امکان استفاده از برق حاصل از انرژی خورشیدی یا بادی
تولید هیدروژن خالص
راهکار پایدار برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر
چالش‌ها و محدودیت‌ها
نیاز به برق با مصرف بالا
هزینه بالای تجهیزات خاص (خصوصاً سلول‌های PEM)
نگهداری گاز هیدروژن نیاز به فناوری بالا دارد (به دلیل انفجاری بودن)
کاربردهای هیدروژن تولیدشده با برقکافت
سوخت برای سلول‌های سوختی
منبع انرژی برای خودروهای هیدروژنی
مصرف در صنایع پتروشیمی و فولاد
ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی مازاد (Power to Gas)
جمع‌بندی
برقکافت آب یکی از روش‌های آینده‌دار و دوست‌دار محیط‌زیست برای تولید گاز هیدروژن است. این فناوری با اتصال به منابع انرژی تجدیدپذیر، می‌تواند ستون فقرات سیستم‌های انرژی پایدار در آینده باشد. سلول‌های الکترولیتی پیشرفته، راه را برای تولید هیدروژن سبز هموار می‌کنند.
