Η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων αυξάνει την παραγωγή πράσινου υδρογόνου

Φανταστείτε ένα μελλοντικό ενεργειακό τοπίο, όπου το υδρογόνο είναι τόσο καθαρό και πανταχού παρόν όσο το ηλιακό φως, που τροφοδοτεί οχήματα, καύσιμα εργοστάσια και χρησιμεύει ως αποθήκη ενέργειας για την εξισορρόπηση των διακυμάνσεων του δικτύου.Μια βασική τεχνολογία που επιτρέπει αυτό το όραμα είναι η ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) για την παραγωγή υδρογόνουΤι κάνει αυτή την τεχνολογία μοναδική και πώς θα αναδιαμορφώσει το ενεργειακό μας μέλλον;

Η ηλεκτρόλυση με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMEL), επίσης γνωστή ως ηλεκτρόλυση μεμβράνης πολυμερούς ηλεκτρολύτη, είναι μια ηλεκτροχημική διαδικασία που χωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο.Το βασικό του συστατικό είναι η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων, ένας στερεός ηλεκτρολύτης κατασκευασμένος από ειδικά πολυμερήΗ τεχνολογία PEMEL έχει καταστεί ερευνητικό επίκεντρο στην ενέργεια υδρογόνου λόγω της υψηλής της απόδοσης, της υψηλής πυκνότητας ρεύματος, της ανώτερης καθαρότητας του αερίου και των εξαιρετικών δυναμικών δυνατοτήτων απόκρισης.

Ένας ηλεκτρολύτης PEM αποτελείται από διάφορα βασικά συστατικά:

• Διπολική πλάκα:Διανέμει το ηλεκτρικό ρεύμα ομοιόμορφα σε όλα τα ηλεκτρόδια, κατευθύνει τη ροή αερίων (υδρογόνο και οξυγόνο) και παρέχει δομική υποστήριξη.από ανοξείδωτο χάλυβα, ή γραφίτη.
• στρώμα διάχυσης αερίων (GDL):Ένα πορώδες στρώμα μεταξύ ηλεκτροδίων και διπολικών πλακών που κατανέμει ομοιόμορφα τα αέρια αντίδρασης και απομακρύνει το νερό του προϊόντος.
• στρώμα καταλύτη:Ο χώρος των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Οι αναλυτές άνωσης προωθούν την αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER), ενώ οι καταλυτές καθοδικών διευκολύνουν την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HER).Τα κοινά υλικά περιλαμβάνουν οξείδια ιριδίου/ρουθηνίου (άνοδος) και πλατίνα/νικέλιο (καθοδός).
• Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM):Ο πυρήνας του συστήματος είναι ένας στερεός ηλεκτρολύτης που επιλέγει να επιτρέπει τη μεταφορά πρωτονίων (H +) ενώ εμποδίζει τα ηλεκτρόνια και τα αέρια.

Η διαδικασία εργασίας περιλαμβάνει:

1. Υπερκαθαρή παροχή νερού στην άνοδο
2. Ηλεκτροχημική οξείδωση στην άνοδο: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e−
3. Μετανάστευση πρωτονίων μέσω του PEM στην κάθοδο
4. Παραγωγή υδρογόνου στην κάθοδο: 4H+ + 4e− → 2H2
5. Διαχωρισμός και συλλογή αερίων υδρογόνου και οξυγόνου

Σε σύγκριση με την αλκαλική (AEL) και την στερεή οξείδια (SOEL) ηλεκτρόλυση, η PEMEL προσφέρει:

• Μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος για μεγαλύτερη αποδοτικότητα παραγωγής
• Υψηλότερη καθαρότητα αερίου (99,99% υδρογόνο)
• Γρήγορη ανταπόκριση σε διαλείπουσες εισροές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας
• Δυνατότητα λειτουργίας υψηλής πίεσης
• Σύνθετο, ενοποιημένο σχεδιασμό

Οι σημερινές προκλήσεις περιλαμβάνουν:

• Υψηλά έξοδα υλικών (καταλύτες πολύτιμων μετάλλων, ειδικές μεμβράνες)
• Ανησυχίες σχετικά με την αντοχή της μεμβράνης
• Σκληρές απαιτήσεις για το υπερκαθαρό νερό

Η τεχνολογία PEMEL επιτρέπει πολλαπλές λύσεις καθαρής ενέργειας:

• Παραγωγή "πράσινου υδρογόνου" με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
• Καθαρή πρώτη ύλη για τη σύνθεση αμμωνίας/μεθανόλης και διύλιση πετρελαίου
• Καύσιμο υδρογόνου για οχήματα κυψελών καυσίμου και συστήματα ισχύος
• Διαρκής αποθήκευση ενέργειας
• Εξισορρόπηση του δικτύου μέσω μετατροπής ενέργειας σε αέριο

Οι πρόσφατες εξελίξεις περιλαμβάνουν:

• Ανάπτυξη καταλύτες μη πολύτιμων μετάλλων
• Εναλλακτικά υλικά μεμβράνης (σουλφονικές πολυαρυλεθερσουλφόνες, πολυαιμίδες)
• Βελτιωμένα σχέδια κυττάρων (3D ηλεκτρόδια, βελτιωμένα πεδία ροής)
• Βελτιωμένη ολοκλήρωση του συστήματος με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Η ηλεκτρόλυση PEM αναμένεται να εξελίσσεται προς:

• Μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη για βιομηχανικές/ενεργειακές εφαρμογές
• Μείωση του κόστους μέσω καινοτομιών υλικών
• Μεγαλύτερη αποδοτικότητα μέσω βελτιστοποίησης του συστήματος
• Παρατεταμένη διάρκεια ζωής λειτουργίας
• Συστήματα ελέγχου με ενισχυμένη τεχνητή νοημοσύνη

Ο ηλεκτρολύτης Hybrion PEM της Bosch αντιπροσωπεύει σημαντική πρόοδο στην εμπορική παραγωγή υδρογόνου.

• 10,25 MW ονομαστικής ισχύος ανά στοίβα
• 220,9 kg/ώρα παραγωγής υδρογόνου
• Ενεργειακή πίεση 34 bar
• Μοδική αρχιτεκτονική για ευέλικτη κλιμάκωση

Η τεχνολογία Hybrion, η οποία έχει προγραμματιστεί για εμπορική χρήση το 2025, αποδεικνύει την αυξανόμενη ωριμότητα των βιομηχανικών λύσεων ηλεκτρόλυσης PEM.