التقدم والتحليل الاقتصادي لتكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الكهربائي بغشاء تبادل البروتون (PEM)

في عام ١٩٦٦، طورت شركة جنرال إلكتريك خلية التحليل الكهربائي للماء استنادًا إلى مفهوم التوصيل البروتوني، باستخدام غشاء بوليمري كإلكتروليت. طرحت جنرال إلكتريك خلايا PEM تجاريًا في عام ١٩٧٨. حاليًا، تنتج الشركة عددًا أقل من خلايا PEM، ويعزى ذلك أساسًا إلى محدودية إنتاج الهيدروجين وقصر عمرها الافتراضي وارتفاع تكلفة الاستثمار. تتميز خلية PEM ببنية ثنائية القطب، ويتم إجراء التوصيلات الكهربائية بين الخلايا من خلال صفائح ثنائية القطب، والتي تلعب دورًا مهمًا في تفريغ الغازات المتولدة. تشكل مجموعة الأنود والكاثود والغشاء مجموعة قطب الغشاء (MEA). يتكون القطب عادةً من معادن ثمينة مثل البلاتين أو الإيريديوم. عند الأنود، يتأكسد الماء لإنتاج الأكسجين والإلكترونات والبروتونات. عند الكاثود، ينتقل الأكسجين والإلكترونات والبروتونات التي ينتجها الأنود عبر الغشاء إلى الكاثود، حيث يتم اختزالها لإنتاج غاز الهيدروجين. يوضح الشكل مبدأ عمل المحلل الكهربائي PEM.

تُستخدم خلايا التحليل الكهربائي PEM عادةً لإنتاج الهيدروجين على نطاق صغير، حيث يبلغ الحد الأقصى لإنتاج الهيدروجين حوالي 30 نيوتن متر مكعب/ساعة واستهلاك الطاقة 174 كيلو واط. وبالمقارنة مع الخلية القلوية، فإن معدل إنتاج الهيدروجين الفعلي لخلية PEM يغطي تقريبًا النطاق الحدي بأكمله. يمكن لخلية PEM العمل بكثافة تيار أعلى من الخلية القلوية، حتى 1.6 أمبير/سم²، وتتراوح الكفاءة الكهربائية بين 48% و65%. ونظرًا لعدم مقاومة فيلم البوليمر لدرجات الحرارة العالية، فإن درجة حرارة الخلية الكهربائية غالبًا ما تكون أقل من 80 درجة مئوية. وقد طورت شركة Hoeller electrolyzer تقنية سطح خلية مُحسّنة لمحللات PEM الكهربائية الصغيرة. ويمكن تصميم الخلايا وفقًا للمتطلبات، مما يقلل من كمية المعادن الثمينة ويزيد من ضغط التشغيل. وتتمثل الميزة الرئيسية لمحلل PEM الكهربائي في أن إنتاج الهيدروجين يتغير بشكل متزامن تقريبًا مع الطاقة المُزودة، وهو مناسب لتغير الطلب على الهيدروجين. وتستجيب خلايا Hoeller لتغيرات تصنيف الحمل من 0 إلى 100% في ثوانٍ. وتخضع تقنية هويلر الحاصلة على براءة اختراع لاختبارات التحقق، وسيتم بناء منشأة الاختبار بحلول نهاية عام 2020.

يمكن أن تصل نقاء الهيدروجين الذي تنتجه خلايا PEM إلى 99.99%، وهي نسبة أعلى من الخلايا القلوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن نفاذية الغاز المنخفضة للغاية لغشاء البوليمر تقلل من خطر تكوين مخاليط قابلة للاشتعال، مما يسمح للمحلل الكهربائي بالعمل بكثافات تيار منخفضة للغاية. يجب أن تكون موصلية الماء المزود للمحلل الكهربائي أقل من 1S/cm. ونظرًا لأن نقل البروتون عبر غشاء البوليمر يستجيب بسرعة لتقلبات الطاقة، يمكن لخلايا PEM العمل في أوضاع إمداد طاقة مختلفة. على الرغم من أن خلية PEM قد تم تسويقها تجاريًا، إلا أن لها بعض العيوب، وأهمها تكلفة الاستثمار العالية والتكلفة العالية لكل من الغشاء والأقطاب الكهربائية القائمة على المعادن الثمينة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عمر خدمة خلايا PEM أقصر من عمر الخلايا القلوية. في المستقبل، يجب تحسين قدرة خلية PEM على إنتاج الهيدروجين بشكل كبير.