Развитие технологии производства водорода с электролитической водой с протонообменной мембраной (PEM) и экономический анализ

В 1966 году компания General Electric разработала водный электролитический элемент, основанный на концепции протонной проводимости, с использованием полимерной мембраны в качестве электролита.Ячейки PEM были выпущены на рынок компанией General Electric в 1978 году.В настоящее время компания производит меньше элементов PEM, в основном из-за ограниченного производства водорода, короткого срока службы и высоких инвестиционных затрат.Ячейка PEM имеет биполярную структуру, а электрические соединения между ячейками осуществляются через биполярные пластины, играющие важную роль в отводе образующихся газов.Анод, катод и мембранная группа образуют узел мембранного электрода (MEA). Электрод обычно состоит из драгоценных металлов, таких как платина или иридий.На аноде вода окисляется с образованием кислорода, электронов и протонов.На катоде кислород, электроны и протоны, произведенные анодом, циркулируют через мембрану к катоду, где они восстанавливаются с образованием газообразного водорода.Принцип электролизера PEM показан на рисунке.

Электролитические ячейки PEM обычно используются для мелкомасштабного производства водорода с максимальным производством водорода около 30 Нм3/ч и потребляемой мощностью 174 кВт.По сравнению с щелочным элементом, фактическая скорость производства водорода в ячейке PEM почти покрывает весь предельный диапазон.Элемент PEM может работать при более высокой плотности тока, чем щелочной элемент, даже до 1,6 А/см2, а электролитическая эффективность составляет 48%-65%.Поскольку полимерная пленка не устойчива к высокой температуре, температура электролизера часто бывает ниже 80°С.Компания Hoeller electrolyzer разработала оптимизированную технологию поверхности ячеек для небольших электролизеров PEM. Ячейки могут быть спроектированы в соответствии с требованиями, уменьшив количество драгоценных металлов и увеличив рабочее давление.Основным преимуществом электролизера PEM является то, что производство водорода изменяется почти синхронно с подаваемой энергией, что соответствует изменению потребности в водороде.Ячейки Холлера реагируют на изменения номинальной нагрузки от 0 до 100 % за считанные секунды.Запатентованная технология Hoeller проходит валидационные испытания, и к концу 2020 года будет построен испытательный стенд.

Чистота водорода, производимого элементами PEM, может достигать 99,99%, что выше, чем у щелочных элементов.Кроме того, крайне низкая газопроницаемость полимерной мембраны снижает риск образования горючих смесей, позволяя электролизёру работать при крайне низких плотностях тока.Электропроводность воды, подаваемой в электролизер, должна быть менее 1 См/см.Поскольку транспорт протонов через полимерную мембрану быстро реагирует на колебания мощности, ячейки PEM могут работать в различных режимах питания.Хотя ячейка PEM была коммерциализирована, у нее есть некоторые недостатки, в основном высокие инвестиционные затраты и высокая стоимость как мембраны, так и электродов на основе драгоценных металлов.Кроме того, срок службы элементов PEM короче, чем у щелочных элементов.В будущем способность элемента PEM по производству водорода должна быть значительно улучшена.