پیشرفت فناوری تولید هیدروژن آب الکترولیتی با غشای تبادل پروتون (PEM) و تحلیل اقتصادی

در سال ۱۹۶۶، شرکت جنرال الکتریک، پیل الکترولیتی آب را بر اساس مفهوم هدایت پروتون، با استفاده از غشای پلیمری به عنوان الکترولیت، توسعه داد. پیل‌های PEM در سال ۱۹۷۸ توسط جنرال الکتریک تجاری‌سازی شدند. در حال حاضر، این شرکت پیل‌های PEM کمتری تولید می‌کند، عمدتاً به دلیل تولید محدود هیدروژن، عمر کوتاه و هزینه سرمایه‌گذاری بالا. یک پیل PEM ساختار دوقطبی دارد و اتصالات الکتریکی بین پیل‌ها از طریق صفحات دوقطبی برقرار می‌شود که نقش مهمی در تخلیه گازهای تولید شده دارند. آند، کاتد و گروه غشا، مجموعه الکترود غشایی (MEA) را تشکیل می‌دهند. الکترود معمولاً از فلزات گرانبها مانند پلاتین یا ایریدیوم تشکیل شده است. در آند، آب اکسید می‌شود تا اکسیژن، الکترون و پروتون تولید کند. در کاتد، اکسیژن، الکترون‌ها و پروتون‌های تولید شده توسط آند از طریق غشا به کاتد گردش می‌کنند، جایی که برای تولید گاز هیدروژن احیا می‌شوند. اصل کار الکترولیز PEM در شکل نشان داده شده است.

سلول‌های الکترولیتی PEM معمولاً برای تولید هیدروژن در مقیاس کوچک استفاده می‌شوند، با حداکثر تولید هیدروژن حدود 30 نیوتن متر مکعب در ساعت و مصرف برق 174 کیلووات. در مقایسه با سلول قلیایی، نرخ واقعی تولید هیدروژن سلول PEM تقریباً کل محدوده مجاز را پوشش می‌دهد. سلول PEM می‌تواند در چگالی جریان A بالاتر از سلول قلیایی، حتی تا 1.6 آمپر بر سانتی‌متر مربع، کار کند و راندمان الکترولیتی آن 48 تا 65 درصد است. از آنجا که فیلم پلیمری در برابر دمای بالا مقاوم نیست، دمای سلول الکترولیتی اغلب زیر 80 درجه سانتیگراد است. الکترولیزر Hoeller یک فناوری سطح سلولی بهینه برای الکترولیزرهای PEM کوچک توسعه داده است. سلول‌ها را می‌توان مطابق با الزامات طراحی کرد، که میزان فلزات گرانبها را کاهش داده و فشار عملیاتی را افزایش می‌دهد. مزیت اصلی الکترولیزر PEM این است که تولید هیدروژن تقریباً همزمان با انرژی تأمین شده تغییر می‌کند، که برای تغییر تقاضای هیدروژن مناسب است. سلول‌های Hoeller به تغییرات بار 0 تا 100 درصد در عرض چند ثانیه پاسخ می‌دهند. فناوری ثبت اختراع هولر در حال گذراندن آزمایش‌های اعتبارسنجی است و مرکز آزمایش تا پایان سال ۲۰۲۰ ساخته خواهد شد.

خلوص هیدروژن تولید شده توسط سلول‌های PEM می‌تواند تا ۹۹.۹۹٪ باشد که بالاتر از سلول‌های قلیایی است. علاوه بر این، نفوذپذیری بسیار پایین گاز غشای پلیمری، خطر تشکیل مخلوط‌های قابل اشتعال را کاهش می‌دهد و به الکترولیزور اجازه می‌دهد تا در چگالی جریان بسیار پایین کار کند. رسانایی آب تأمین شده برای الکترولیزور باید کمتر از ۱ زیمنس بر سانتی‌متر باشد. از آنجا که انتقال پروتون از طریق غشای پلیمری به سرعت به نوسانات برق پاسخ می‌دهد، سلول‌های PEM می‌توانند در حالت‌های مختلف منبع تغذیه کار کنند. اگرچه سلول PEM تجاری شده است، اما دارای معایبی است، عمدتاً هزینه بالای سرمایه‌گذاری و هزینه بالای الکترودهای مبتنی بر غشا و فلزات گرانبها. علاوه بر این، عمر مفید سلول‌های PEM کوتاه‌تر از سلول‌های قلیایی است. در آینده، ظرفیت سلول PEM برای تولید هیدروژن باید به میزان زیادی بهبود یابد.