غشای مبادله پروتون تولید هیدروژن سبز را افزایش می دهد

یک چشم انداز انرژی آینده را تصور کنید که در آن هیدروژن به اندازه نور خورشید تمیز و همه جا وجود داشته باشد ٬ وسایل نقلیه را به انرژی برساند، کارخانه ها را سوخت دهد و به عنوان ذخیره انرژی برای تعادل نوسانات شبکه عمل کند.یکی از فناوری های کلیدی که این چشم انداز را امکان پذیر می کند الکترولیز آب غشای مبادله پروتون (PEM) برای تولید هیدروژن استچه چیزی این تکنولوژی را منحصر به فرد می کند و چگونه آینده انرژی ما را تغییر خواهد داد؟

الکترولیز غشا مبادله پروتون (PEMEL) ، همچنین به عنوان الکترولیز غشا پلیمر شناخته می شود، یک فرآیند الکتروشیمی است که آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می کند.جزء اصلی آن غشای مبادله پروتون است، یک الکترولیت جامد ساخته شده از پلیمرهای خاصتکنولوژی PEMEL به دلیل کارایی بالا، تراکم جریان بالا، خلوص گاز برتر و قابلیت های پاسخ دینامیکی عالی، به یک مرکز تحقیقاتی در انرژی هیدروژن تبدیل شده است.

یک الکترولایزر PEM شامل چندین جزء کلیدی است:

• صفحه دوقطبی:توزیع جریان الکتریکی به طور مساوی بین الکترودها، هدایت جریان گاز (هیدروژن و اکسیژن) و پشتیبانی ساختاری را فراهم می کند. به طور معمول از مواد مقاوم به خوردگی مانند تیتانیوم ساخته شده است،فولاد ضد زنگ، يا گرافيت
• لایه انتشار گاز (GDL):یک لایه متخلخل بین الکترودها و صفحه های دو قطبی که به طور مساوی گاز های واکنش را توزیع می کند و آب محصول را از بین می برد. معمولاً از کاغذ کربن یا فیلت فیبر کربن ساخته شده است.
• لایه کاتالیزور:محل واکنش های الکتروشیمیکی. کاتالیزورهای آنود واکنش تکامل اکسیژن (OER) را ترویج می کنند، در حالی که کاتالیزورهای کاتود واکنش تکامل هیدروژن (HER) را تسهیل می کنند.مواد رایج عبارتند از اکسید های اریدیوم/روتنیوم (آنود) و پلاتین/نیکل (کاتود).
• غشای مبادله پروتون (PEM):هسته سیستم یک الکترولیت جامد است که به طور انتخابی اجازه حمل پروتون (H +) را می دهد در حالی که الکترون ها و گاز ها را مسدود می کند. مواد رایج شامل پلیمرهای اسید پرفلور سولفونیک مانند Nafion است.

فرآیند کار شامل:

1. تامین آب فوق خالص به آنود
2. اکسیداسیون الکتروشیمیایی در آنود: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e−
3. مهاجرت پروتون از طریق PEM به کاتود
4. تولید هیدروژن در کاتود: 4H+ + 4e− → 2H2
5. جداسازی و جمع آوری گاز های هیدروژن و اکسیژن

در مقایسه با الکترولیس قلیایی (AEL) و اکسید جامد (SOEL) ، PEMEL ارائه می دهد:

• چگالی جریان بالاتر برای بهره وری بیشتر تولید
• خالصیت گاز برتر (99.99٪ هیدروژن)
• پاسخ سریع به ورودی های متناوب انرژی تجدید پذیر
• قابلیت کار با فشار بالا
• طراحی کامپکت و ماژولار

چالش های فعلی عبارتند از:

• هزینه های بالای مواد (کاتالیزورهای فلزات گرانبها، غشا های ویژه)
• نگرانی های مربوط به دوام غشا
• الزامات سختگیرانه برای آب بسیار خالص

تکنولوژی PEMEL راه حل های متعدد انرژی پاک را امکان پذیر می کند:

• تولید هیدروژن سبز با انرژی تجدید پذیر
• مواد اولیه تمیز برای سنتز آمونیاک/متانول و پالایش نفت
• سوخت هیدروژن برای وسایل نقلیه سلول سوخت و سیستم های برق
• ذخیره سازی انرژی طولانی مدت
• تعادل شبکه از طریق تبدیل برق به گاز

پیشرفت های اخیر شامل:

• توسعه کاتالیزورهای فلزات غیر قیمتی
• مواد متناوب غشا (پولیاریلتر سولفون های سولفونی شده، پولی میید)
• طراحی سلول بهینه شده (الکترودهای سه بعدی، زمینه های جریان بهبود یافته)
• یکپارچه سازی سیستم با انرژی های تجدید پذیر

انتظار می رود که الکترولیز PEM به سمت:

• استفاده در مقیاس بزرگ برای کاربردهای صنعتی / انرژی
• کاهش هزینه ها از طریق نوآوری مواد
• بهره وری بالاتر از طریق بهینه سازی سیستم
• طول عمر عملیاتی طولانی
• سیستم های کنترل پیشرفته با هوش مصنوعی

الکترولایزر Hybrion PEM بوش نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در تولید هیدروژن در مقیاس تجاری است.

• 1.25 مگاوات قدرت مشخص در هر استیک
• 22.9 کیلوگرم هیدروژن در ساعت
• فشار عملیاتی 34 بار
• معماری ماژولار برای مقیاس پذیری انعطاف پذیر

برنامه ریزی شده برای استفاده تجاری در سال 2025، فناوری Hybrion نشان دهنده رشد رشد راه حل های الکترولیز صنعتی PEM است.