Proton Değişim Membranı Yeşil Hidrojen Üretimini Artırıyor

Gelecekteki bir enerji manzarasını hayal edin, hidrojenin güneş ışığı kadar temiz ve her yerde olduğu, araçları besleyen, fabrikaları yakıtlandıran ve şebeke dalgalanmalarını dengelemek için enerji depolaması olarak hizmet eden bir enerji manzarası.Bu vizyonu mümkün kılan bir anahtar teknoloji, hidrojen üretimi için proton değişim zarı (PEM) su elektrolizidir.Bu teknolojiyi eşsiz kılan nedir ve enerji geleceğimizi nasıl yeniden şekillendirecek?

Polimer elektrolit membran elektrolizi olarak da bilinen proton değişim membran elektrolizi (PEMEL), suyu hidrojen ve oksijene ayıran bir elektrokimyasal işlemdir.Temel bileşeni, özel polimerlerden yapılmış katı bir elektrolit olan proton değişimi zarıdır.PEMEL teknolojisi, yüksek verimliliği, yüksek akım yoğunluğu, üstün gaz saflığı ve mükemmel dinamik tepki yetenekleri nedeniyle hidrojen enerjisinde bir araştırma odak noktası haline geldi.

Bir PEM elektrolizörü birkaç temel bileşenden oluşur:

• Bipolar plaka:Elektrik akımını elektrotlar arasında eşit şekilde dağıtır, gaz akışını (hidrojen ve oksijen) yönlendirir ve yapısal destek sağlar.paslanmaz çelikYa da grafit.
• Gaz Difüzyon Katmanı (GDL):Elektrotlar ve bipolar plakalar arasında, reaksiyon gazlarını eşit şekilde dağıtan ve ürün suyunu çıkaran gözenekli bir katman. Genellikle karbon kağıdından veya karbon lif tüyünden yapılır.
• Katalizör katmanı:Anod katalizörleri oksijen evrim reaksiyonunu (OER) desteklerken, katot katalizörleri hidrojen evrim reaksiyonunu (HER) kolaylaştırır.Yaygın malzemeler arasında iridyum/rutenyum oksitleri (anod) ve platin/nikel (katod) bulunur..
• Proton Değiştirme Membranı (PEM):Sistemin çekirdeği, elektronları ve gazları engelleyerek proton (H +) nakline seçici olarak izin veren katı bir elektrolittir.

Çalışma süreci şunları içerir:

1. Anod için ultra saf su kaynağı
2. Anoddaki elektrokimyasal oksidasyon: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e−
3. Proton göçü PEM'den katoda
4. Katotta hidrojen üretimi: 4H+ + 4e− → 2H2
5. Hidrojen ve oksijen gazlarının ayrılması ve toplanması

Alkali (AEL) ve katı oksit (SOEL) elektrolizine kıyasla, PEMEL:

• Daha yüksek üretim verimliliği için daha yüksek akım yoğunluğu
• Yüksek gaz saflığı (99.99% hidrojen)
• Aralıklı yenilenebilir enerji girişimlerine hızlı tepki
• Yüksek basınçlı çalışma yeteneği
• Kompakt, modüler tasarım

Mevcut zorluklar şunlardır:

• Yüksek malzeme maliyetleri (değerli metal katalizörleri, özel membranlar)
• Membran dayanıklılığı endişeleri
• Çok saf su için katı gereksinimler

PEMEL teknolojisi birçok temiz enerji çözümünü mümkün kılar:

• Yenilenebilir enerjiyle çalışan "yeşil hidrojen" üretimi
• Amonyak/metanol sentezi ve petrol rafinerliği için temiz hammaddeler
• Yakıt hücreli araçlar ve güç sistemleri için hidrojen yakıtlandırma
• Uzun süreli enerji depolaması
• Güçten gaz dönüştürme yoluyla şebeke dengeleme

Son gelişmeler şunları içerir:

• Değerli olmayan metal katalizörlerinin geliştirilmesi
• Alternatif membran malzemeleri (sülfonlu poliarylether sulfonlar, poliyimidler)
• Optimize hücre tasarımları (3 boyutlu elektrotlar, iyileştirilmiş akış alanları)
• Yenilenebilir enerjilerle sistem entegrasyonunun geliştirilmesi

PEM elektrolizinin aşağıdakilere doğru gelişmesi beklenir:

• Endüstriyel/enerji uygulamaları için büyük ölçekli dağıtım
• Malzeme yenilikleri yoluyla maliyet azaltımı
• Sistem optimizasyonu yoluyla daha yüksek verimlilik
• Uzatılmış çalışma ömrü
• Yapay zeka geliştirilmiş kontrol sistemleri

Bosch'un Hybrion PEM elektrolizörü, ticari ölçekli hidrojen üretiminde önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.

• 1Yükleme başına 25 MW değerli güç
• 22.9 kg/saat hidrojen çıkışı
• 34 bar çalışma basıncı
• Esnek ölçeklendirme için modüler mimari

2025 yılında ticari olarak kullanıma sunulması planlanan Hybrion teknolojisi, endüstriyel PEM elektroliz çözümlerinin artan olgunluğunu göstermektedir.