Прогрес технології виробництва водню з електролітичної води протонообмінної мембрани (PEM) та економічний аналіз

У 1966 році компанія General Electric розробила водний електролітичний елемент на основі концепції протонної провідності, використовуючи полімерну мембрану як електроліт.Комірки PEM були комерціалізовані General Electric у 1978 році.В даний час компанія виробляє менше елементів PEM, головним чином через обмежене виробництво водню, короткий термін служби та високі інвестиційні витрати.Комірка PEM має біполярну структуру, а електричні з’єднання між осередками здійснюються через біполярні пластини, які відіграють важливу роль у розрядженні утворених газів.Анод, катод і мембранна група утворюють мембранний електродний вузол (MEA). Електрод зазвичай складається з дорогоцінних металів, таких як платина або іридій.На аноді вода окислюється з утворенням кисню, електронів і протонів.На катоді кисень, електрони та протони, вироблені анодом, циркулюють через мембрану до катода, де вони відновлюються з утворенням водню.Принцип роботи електролізера ПЕМ показаний на малюнку.

Електролітичні комірки PEM зазвичай використовуються для невеликого виробництва водню з максимальним виробництвом водню близько 30 Нм3/год і споживаною потужністю 174 кВт.Порівняно з лужною коміркою фактична швидкість виробництва водню в комірці PEM майже покриває весь граничний діапазон.Елемент PEM може працювати при вищій щільності струму, ніж лужний елемент, навіть до 1,6 А/см2, а електролітична ефективність становить 48%-65%.Оскільки полімерна плівка не стійка до високої температури, температура електролізера часто нижче 80°C.Електролізер Hoeller розробив оптимізовану технологію поверхні комірок для малих електролізерів PEM. Осередки можна сконструювати відповідно до вимог, зменшуючи кількість дорогоцінних металів і збільшуючи робочий тиск.Основна перевага електролізера PEM полягає в тому, що виробництво водню змінюється майже синхронно з поставленою енергією, що відповідає зміні потреби у водні.Комірки Hoeller реагують на зміни навантаження 0-100% за секунди.Запатентована технологія Hoeller проходить перевірку, і випробувальний центр буде побудовано до кінця 2020 року.

Чистота водню, що виробляється елементами PEM, може досягати 99,99%, що вище, ніж у лужних елементів.Крім того, надзвичайно низька газопроникність полімерної мембрани знижує ризик утворення горючих сумішей, що дозволяє електролізеру працювати при надзвичайно низькій щільності струму.Провідність води, що подається в електролізер, повинна бути менше 1См/см.Оскільки транспорт протонів через полімерну мембрану швидко реагує на коливання потужності, клітини PEM можуть працювати в різних режимах живлення.Незважаючи на те, що елемент PEM був комерційним, він має деякі недоліки, головним чином високі інвестиційні витрати та високу вартість як мембрани, так і електродів на основі дорогоцінних металів.Крім того, термін служби елементів PEM коротший, ніж у лужних елементів.У майбутньому здатність клітини PEM виробляти водень потребує значного покращення.