Мембрана для протонного обмена увеличивает производство «зеленого» водорода

Представьте себе будущий энергетический ландшафт, где водород будет таким же чистым и повсеместным, как солнечный свет, который питает транспортные средства, заводы и служит хранилищем энергии для сбалансирования колебаний сети.Одной из ключевых технологий, позволяющих реализовать это видение, является протонообменная мембрана (PEM) для производства водорода.Что делает эту технологию уникальной и как она изменит наше энергетическое будущее?

Электролиз протонообменной мембраны (PEMEL), также известный как электролиз полимерной мембраны электролита, является электрохимическим процессом, который расщепляет воду на водород и кислород.Его основным компонентом является мембрана обмена протонами, твердый электролит из специальных полимеров.Технология PEMEL стала центром исследований в области водородной энергии из-за ее высокой эффективности, высокой плотности тока, превосходной чистоты газа и отличных возможностей динамического реагирования.

Электролизатор ПЭМ состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Биполярная пластина:Распределяет электрический ток равномерно по электродам, направляет поток газа (водород и кислород) и обеспечивает структурную поддержку.из нержавеющей стали, или графита.
• Диффузионный слой газа (GDL):Пористый слой между электродами и биполярными пластинами, равномерно распределяющий реакционные газы и удаляющий воду из продукта.
• Катализаторный слой:Анодные катализаторы способствуют реакции кислородной эволюции (OER), а катодные катализаторы способствуют реакции водородной эволюции (HER).Общие материалы: оксиды иридия/рутения (анод) и платина/никель (катод).
• Протонная мембрана (PEM):Ядро системы - это твердый электролит, который позволяет выборочно транспортировать протоны (H +), блокируя электроны и газы.

Рабочий процесс включает:

1. Ультрачистая подача воды в анод
2. Электрохимическая окисление на аноде: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e−
3. Миграция протонов через ПЭМ к катоду
4. Производство водорода на катоде: 4H+ + 4e− → 2H2
5. Сепарация и сбор водорода и кислорода

По сравнению с электролизом щелочным (AEL) и твердым оксидом (SOEL), PEMEL предлагает:

• Более высокая плотность тока для повышения эффективности производства
• Высокая чистота газа (99,99% водорода)
• Быстрое реагирование на перерывные поставки возобновляемой энергии
• Возможность работы под высоким давлением
• Компактный, модульный дизайн

К современным проблемам относятся:

• Высокие материальные затраты (катализаторы драгоценных металлов, специальные мембраны)
• Проблемы с долговечностью мембраны
• Строгие требования к сверхчистой воде

Технология PEMEL позволяет использовать множество решений в области чистой энергии:

• Производство "зеленого водорода" на возобновляемых источниках энергии
• Чистое сырье для синтеза аммиака/метанола и нефтепереработки
• Водородное топливо для транспортных средств на топливных элементах и энергосистем
• Длительное хранение энергии
• Балансировка сети путем преобразования электроэнергии в газ

Недавние достижения включают:

• Разработка катализаторов недрагоценных металлов
• Альтернативные мембранные материалы (сульфонированные полиарилетерсульфоны, полимиды)
• Оптимизированные конструкции ячеек (3D электроды, улучшенные поля потока)
• Улучшенная интеграция системы с возобновляемыми источниками энергии

Ожидается, что электролиз ПЭМ будет развиваться в направлении:

• Масштабное развертывание для промышленных/энергетических применений
• Снижение затрат за счет инноваций в области материалов
• Повышение эффективности за счет оптимизации системы
• Продленный срок эксплуатации
• Системы управления с улучшенным ИИ

Электролизатор Bosch Hybrion PEM представляет собой значительный прогресс в производстве водорода в коммерческом масштабе.

• 1.25 МВт номинальной мощности на стек
• 22.9 кг/час выработки водорода
• Рабочее давление 34 бара
• Модульная архитектура для гибкого масштабирования

Технология Hybrion, планируемая к коммерческому внедрению в 2025 году, демонстрирует растущую зрелость промышленных решений электролиза PEM.