Màng trao đổi proton thúc đẩy sản xuất hydro xanh

Hãy tưởng tượng một bối cảnh năng lượng trong tương lai, nơi hydro sạch sẽ và phổ biến như ánh sáng mặt trời, cung cấp năng lượng cho xe, nhiên liệu cho các nhà máy, và phục vụ như một kho năng lượng để cân bằng biến động lưới điện.Một công nghệ chính cho phép tầm nhìn này là điện phân nước màng trao đổi proton (PEM) để sản xuất hydroĐiều gì làm cho công nghệ này độc đáo, và nó sẽ định hình lại tương lai năng lượng của chúng ta như thế nào?

Điện phân membrane trao đổi proton (PEMEL), còn được gọi là điện phân membrane polymer electrolyte, là một quá trình điện hóa phân tách nước thành hydro và oxy.Thành phần cốt lõi của nó là màng trao đổi proton, một chất điện giải rắn được làm từ các polyme đặc biệtCông nghệ PEMEL đã trở thành trọng tâm nghiên cứu trong năng lượng hydro do hiệu quả cao, mật độ dòng điện cao, độ tinh khiết khí cao hơn và khả năng phản hồi động xuất sắc.

Một PEM electrolyser bao gồm một số thành phần chính:

• Bipolar Plate:Phân phối dòng điện đồng đều qua các điện cực, hướng dòng khí (hydrogen và oxy) và cung cấp hỗ trợ cấu trúc.thép không gỉ, hoặc graphite.
• Lớp khuếch tán khí (GDL):Một lớp xốp giữa các điện cực và tấm hai cực phân phối đồng đều khí phản ứng và loại bỏ nước sản phẩm.
• Lớp xúc tác:Các chất xúc tác anode thúc đẩy phản ứng tiến hóa oxy (OER), trong khi các chất xúc tác cathode tạo điều kiện cho phản ứng tiến hóa hydro (HER).Các vật liệu phổ biến bao gồm iridium/ruthenium oxide (anode) và platinum/nickel (cathode).
• Bạch cầu trao đổi proton (PEM):Lõi của hệ thống là một chất điện giải rắn cho phép vận chuyển proton (H +) một cách chọn lọc trong khi ngăn chặn các electron và khí.

Quá trình làm việc bao gồm:

1. Nguồn cung cấp nước siêu tinh khiết cho anode
2. Chất oxy hóa điện hóa tại cực cực: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e−
3. Di chuyển proton qua PEM đến cathode
4. Sản xuất hydro tại cathode: 4H+ + 4e− → 2H2
5. Phân tách và thu thập khí hydro và oxy

So với điện phân kiềm (AEL) và điện phân oxit rắn (SOEL), PEMEL cung cấp:

• Mật độ dòng điện cao hơn để tăng hiệu quả sản xuất
• Độ tinh khiết khí cao hơn (99,99% hydro)
• Phản ứng nhanh chóng đối với các nguồn năng lượng tái tạo liên tục
• Khả năng vận hành áp suất cao
• Thiết kế nhỏ gọn, mô-đun

Những thách thức hiện tại bao gồm:

• Chi phí vật liệu cao (những chất xúc tác kim loại quý, màng đặc biệt)
• Mối quan tâm về độ bền màng
• Yêu cầu nước siêu tinh khiết nghiêm ngặt

Công nghệ PEMEL cho phép nhiều giải pháp năng lượng sạch:

• Sản xuất hydro xanh bằng năng lượng tái tạo
• Nguồn nguyên liệu sạch cho tổng hợp amoniac/methanol và lọc dầu
• Dầu hydro cho xe pin nhiên liệu và hệ thống điện
• Lưu trữ năng lượng lâu dài
• Sự cân bằng lưới thông qua chuyển đổi điện thành khí

Những tiến bộ gần đây bao gồm:

• Phát triển chất xúc tác kim loại không quý
• Vật liệu màng thay thế (sulfon polyarylethersulfon, polyimides)
• Thiết kế tế bào tối ưu hóa (các điện cực 3D, các trường dòng chảy được cải thiện)
• Tăng cường tích hợp hệ thống với năng lượng tái tạo

Phân tích điện phân PEM dự kiến sẽ phát triển theo hướng:

• Việc triển khai quy mô lớn cho các ứng dụng công nghiệp / năng lượng
• Giảm chi phí thông qua đổi mới vật liệu
• Hiệu quả cao hơn thông qua tối ưu hóa hệ thống
• Thời gian hoạt động kéo dài
• Hệ thống điều khiển nâng cao AI

Máy phân tích điện tử Hybrion PEM của Bosch đại diện cho sự tiến bộ đáng kể trong sản xuất hydro quy mô thương mại.

• 1.25 MW công suất bình thường cho mỗi ngăn xếp
• 22.9 kg/giờ năng lượng hydro
• Áp suất hoạt động 34 bar
• Kiến trúc mô-đun cho quy mô linh hoạt

Được lên kế hoạch triển khai thương mại vào năm 2025, công nghệ Hybrion cho thấy sự trưởng thành ngày càng tăng của các giải pháp phân giải điện phân PEM công nghiệp.