Membrana protonowa zwiększa produkcję zielonego wodoru

Wyobraź sobie przyszły krajobraz energetyczny, w którym wodór jest tak czysty i wszechobecny jak światło słoneczne – napędzający pojazdy, zasilający fabryki i służący jako magazyn energii do równoważenia wahań w sieci. Jedną z kluczowych technologii umożliwiających tę wizję jest elektroliza wody z membraną wymiany protonów (PEM) do produkcji wodoru. Co sprawia, że ta technologia jest wyjątkowa i jak zmieni naszą energetyczną przyszłość?

Elektroliza z membraną wymiany protonów (PEMEL), znana również jako elektroliza z membraną polimerową, to proces elektrochemiczny, który rozkłada wodę na wodór i tlen. Jej głównym składnikiem jest membrana wymiany protonów – stały elektrolit wykonany ze specjalnych polimerów. Technologia PEMEL stała się przedmiotem badań w dziedzinie energii wodorowej ze względu na wysoką wydajność, dużą gęstość prądu, doskonałą czystość gazu i doskonałe możliwości dynamicznej reakcji.

Elektrolizer PEM składa się z kilku kluczowych komponentów:

• Płyta dwubiegunowa: Rozkłada prąd elektryczny równomiernie na elektrody, kieruje przepływ gazu (wodoru i tlenu) i zapewnia wsparcie strukturalne. Zazwyczaj wykonana z materiałów odpornych na korozję, takich jak tytan, stal nierdzewna lub grafit.
• Warstwa dyfuzji gazu (GDL): Porowata warstwa między elektrodami a płytami dwubiegunowymi, która równomiernie rozprowadza gazy reakcyjne i usuwa wodę produktową. Zazwyczaj zbudowana z papieru węglowego lub filcu z włókna węglowego.
• Warstwa katalizatora: Miejsce reakcji elektrochemicznych. Katalizatory anodowe promują reakcję wydzielania tlenu (OER), podczas gdy katalizatory katodowe ułatwiają reakcję wydzielania wodoru (HER). Typowe materiały to tlenki irydu/ruten (anoda) i platyna/nikiel (katoda).
• Membrana wymiany protonów (PEM): Rdzeń systemu – stały elektrolit, który selektywnie przepuszcza protony (H+), blokując jednocześnie elektrony i gazy. Typowe materiały to polimery kwasu perfluorosulfonowego, takie jak Nafion.

Proces roboczy obejmuje:

1. Doprowadzenie ultraczystej wody do anody
2. Utlenianie elektrochemiczne na anodzie: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
3. Migracja protonów przez PEM do katody
4. Wytwarzanie wodoru na katodzie: 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
5. Separacja i zbieranie gazów wodoru i tlenu

W porównaniu z elektrolizą alkaliczną (AEL) i tlenkową (SOEL), PEMEL oferuje:

• Wyższą gęstość prądu dla większej wydajności produkcji
• Doskonałą czystość gazu (99,99% wodoru)
• Szybką reakcję na przerywane wejścia energii odnawialnej
• Możliwość pracy pod wysokim ciśnieniem
• Kompaktową, modułową konstrukcję

Obecne wyzwania obejmują:

• Wysokie koszty materiałów (katalizatory z metali szlachetnych, specjalne membrany)
• Obawy dotyczące trwałości membrany
• Rygorystyczne wymagania dotyczące ultraczystej wody

Technologia PEMEL umożliwia wiele rozwiązań w zakresie czystej energii:

• Produkcja „zielonego wodoru” zasilanego energią odnawialną
• Czysty surowiec do syntezy amoniaku/metanolu i rafinacji ropy naftowej
• Tankowanie wodorem pojazdów z ogniwami paliwowymi i systemów zasilania
• Długoterminowe magazynowanie energii
• Równoważenie sieci poprzez konwersję energii na gaz

Ostatnie postępy obejmują:

• Opracowanie katalizatorów bez metali szlachetnych
• Alternatywne materiały membranowe (sulfonowane polieteroeterosulfony, poliimidy)
• Zoptymalizowane konstrukcje ogniw (elektrody 3D, ulepszone pola przepływu)
• Ulepszona integracja systemu z odnawialnymi źródłami energii

Oczekuje się, że elektroliza PEM ewoluuje w kierunku:

• Wdrożenia na dużą skalę do zastosowań przemysłowych/energetycznych
• Redukcji kosztów poprzez innowacje materiałowe
• Wyższej wydajności dzięki optymalizacji systemu
• Wydłużonych okresów eksploatacji
• Systemów sterowania wspomaganych przez sztuczną inteligencję

Elektrolizer PEM Hybrion firmy Bosch reprezentuje znaczny postęp w produkcji wodoru na skalę komercyjną. System charakteryzuje się:

• Mocą znamionową 1,25 MW na stos
• Wydajnością wodoru 22,9 kg/godzinę
• Ciśnieniem roboczym 34 bar
• Modułową architekturą umożliwiającą elastyczne skalowanie

Zaplanowana na komercyjne wdrożenie w 2025 roku, technologia Hybrion demonstruje rosnącą dojrzałość przemysłowych rozwiązań elektrolizy PEM.