โปรตอนแลกเปลี่ยน Membrane กระตุ้นการผลิตฮิดรอเจนสีเขียว

จินตนาการถึงภูมิทัศน์พลังงานในอนาคตที่ไฮโดรเจนสะอาดและแพร่หลายเหมือนแสงแดด—ขับเคลื่อนยานพาหนะ ให้พลังงานแก่โรงงาน และทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานเพื่อปรับสมดุลความผันผวนของกริด เทคโนโลยีสำคัญอย่างหนึ่งที่ช่วยให้วิสัยทัศน์นี้เป็นจริงคือการแยกน้ำด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) สำหรับการผลิตไฮโดรเจน อะไรทำให้เทคโนโลยีนี้ไม่เหมือนใคร และจะปรับเปลี่ยนอนาคตด้านพลังงานของเราอย่างไร

การแยกน้ำด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMEL) หรือที่เรียกว่าการแยกน้ำด้วยเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ เป็นกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่แยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ส่วนประกอบหลักคือเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน—อิเล็กโทรไลต์แข็งที่ทำจากโพลิเมอร์พิเศษ เทคโนโลยี PEMEL ได้กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยด้านพลังงานไฮโดรเจนเนื่องจากประสิทธิภาพสูง ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง ความบริสุทธิ์ของก๊าซที่เหนือกว่า และความสามารถในการตอบสนองแบบไดนามิกที่ยอดเยี่ยม

เครื่องแยกน้ำ PEM ประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญหลายอย่าง:

• แผ่นไบโพลาร์:กระจายกระแสไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอทั่วอิเล็กโทรด กำหนดทิศทางการไหลของก๊าซ (ไฮโดรเจนและออกซิเจน) และให้การรองรับโครงสร้าง โดยทั่วไปทำจากวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น ไทเทเนียม สแตนเลส หรือกราไฟต์
• ชั้นกระจายก๊าซ (GDL):ชั้นพรุนระหว่างอิเล็กโทรดและแผ่นไบโพลาร์ที่กระจายก๊าซปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอและกำจัดน้ำผลิตภัณฑ์ โดยปกติสร้างจากกระดาษคาร์บอนหรือสักหลาดคาร์บอนไฟเบอร์
• ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา:ไซต์ของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วบวกส่งเสริมปฏิกิริยาการวิวัฒนาการของออกซิเจน (OER) ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วลบอำนวยความสะดวกในการเกิดปฏิกิริยาการวิวัฒนาการของไฮโดรเจน (HER) วัสดุทั่วไป ได้แก่ ออกไซด์อิริเดียม/รูทีเนียม (ขั้วบวก) และแพลทินัม/นิกเกิล (ขั้วลบ)
• เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM):แกนกลางของระบบ—อิเล็กโทรไลต์แข็งที่อนุญาตให้โปรตอน (H+) ขนส่งได้อย่างเลือกสรร ในขณะที่ปิดกั้นอิเล็กตรอนและก๊าซ วัสดุทั่วไป ได้แก่ โพลิเมอร์กรดเปอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก เช่น Nafion

กระบวนการทำงานเกี่ยวข้องกับ:

1. การจ่ายน้ำบริสุทธิ์พิเศษไปยังขั้วบวก
2. การเกิดออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าที่ขั้วบวก: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
3. การย้ายถิ่นของโปรตอนผ่าน PEM ไปยังแคโทด
4. การสร้างไฮโดรเจนที่แคโทด: 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
5. การแยกและการรวบรวมก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจน

เมื่อเทียบกับการแยกน้ำแบบอัลคาไลน์ (AEL) และออกไซด์แข็ง (SOEL) PEMEL มี:

• ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงขึ้นเพื่อประสิทธิภาพการผลิตที่มากขึ้น
• ความบริสุทธิ์ของก๊าซที่เหนือกว่า (ไฮโดรเจน 99.99%)
• การตอบสนองอย่างรวดเร็วต่ออินพุตพลังงานหมุนเวียนเป็นระยะ
• ความสามารถในการทำงานภายใต้แรงดันสูง
• การออกแบบที่กะทัดรัดและเป็นโมดูล

ความท้าทายในปัจจุบัน ได้แก่:

• ต้นทุนวัสดุสูง (ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า เมมเบรนพิเศษ)
• ข้อกังวลเกี่ยวกับความทนทานของเมมเบรน
• ข้อกำหนดน้ำบริสุทธิ์พิเศษที่เข้มงวด

เทคโนโลยี PEMEL ช่วยให้เกิดโซลูชันพลังงานสะอาดหลายอย่าง:

• การผลิต "ไฮโดรเจนสีเขียว" ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานหมุนเวียน
• วัตถุดิบสะอาดสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนีย/เมทานอลและการกลั่นน้ำมัน
• การเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงและระบบไฟฟ้า
• การจัดเก็บพลังงานระยะยาว
• การปรับสมดุลกริดผ่านการแปลงพลังงานเป็นก๊าซ

ความคืบหน้าล่าสุด ได้แก่:

• การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โลหะมีค่า
• วัสดุเมมเบรนทางเลือก (ซัลโฟเนตโพลีอาริลอีเทอร์ซัลโฟน โพลิอิไมด์)
• การออกแบบเซลล์ที่เหมาะสมที่สุด (อิเล็กโทรด 3 มิติ ปรับปรุงฟิลด์การไหล)
• การบูรณาการระบบที่ได้รับการปรับปรุงด้วยพลังงานหมุนเวียน

การแยกน้ำด้วย PEM คาดว่าจะพัฒนาไปสู่:

• การใช้งานในวงกว้างสำหรับอุตสาหกรรม/การใช้งานด้านพลังงาน
• การลดต้นทุนผ่านนวัตกรรมวัสดุ
• ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ
• อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
• ระบบควบคุมที่ปรับปรุงด้วย AI

เครื่องแยกน้ำ Bosch Hybrion PEM แสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในการผลิตไฮโดรเจนในระดับเชิงพาณิชย์ ระบบมี:

• กำลังไฟ 1.25 MW ต่อสแต็ก
• ผลผลิตไฮโดรเจน 22.9 กก./ชั่วโมง
• แรงดันใช้งาน 34 บาร์
• สถาปัตยกรรมแบบโมดูลสำหรับการปรับขนาดที่ยืดหยุ่น

กำหนดการใช้งานเชิงพาณิชย์ในปี 2025 เทคโนโลยี Hybrion แสดงให้เห็นถึงวุฒิภาวะที่เพิ่มขึ้นของโซลูชันการแยกน้ำด้วย PEM ในอุตสาหกรรม