Pokrok technológie výroby vodíka s protónovou výmenou (PEM) a ekonomická analýza

V roku 1966 spoločnosť General Electric Company vyvinula vodný elektrolytický článok založený na koncepcii protónovej vodivosti s použitím polymérovej membrány ako elektrolytu.PEM články boli komercializované spoločnosťou General Electric v roku 1978.V súčasnosti spoločnosť vyrába menej článkov PEM, najmä kvôli obmedzenej výrobe vodíka, krátkej životnosti a vysokým investičným nákladom.Bunka PEM má bipolárnu štruktúru a elektrické spojenia medzi bunkami sú vytvorené prostredníctvom bipolárnych dosiek, ktoré hrajú dôležitú úlohu pri vypúšťaní generovaných plynov.Anóda, katóda a membránová skupina tvoria zostavu membránovej elektródy (MEA). Elektróda je zvyčajne zložená z drahých kovov, ako je platina alebo irídium.Na anóde sa voda oxiduje za vzniku kyslíka, elektrónov a protónov.Na katóde kyslík, elektróny a protóny produkované anódou cirkulujú cez membránu ku katóde, kde sa redukujú za vzniku plynného vodíka.Princíp PEM elektrolyzéra je znázornený na obrázku.

Elektrolytické články PEM sa zvyčajne používajú na výrobu vodíka v malom meradle s maximálnou produkciou vodíka okolo 30 Nm3/h a spotrebou energie 174 kW.V porovnaní s alkalickým článkom skutočná rýchlosť výroby vodíka v článku PEM takmer pokrýva celý limitný rozsah.PEM článok môže pracovať pri vyššej prúdovej hustote ako alkalický článok, dokonca až 1,6A/cm2, a elektrolytická účinnosť je 48%-65%.Pretože polymérny film nie je odolný voči vysokej teplote, teplota elektrolytického článku je často nižšia ako 80 °C.Elektrolyzér Hoeller vyvinul optimalizovanú technológiu povrchu buniek pre malé elektrolyzéry PEM. Články môžu byť navrhnuté podľa požiadaviek, čím sa zníži množstvo drahých kovov a zvýši sa prevádzkový tlak.Hlavnou výhodou PEM elektrolyzéra je, že produkcia vodíka sa mení takmer synchrónne s dodávanou energiou, čo je vhodné pre zmenu potreby vodíka.Hoellerove články reagujú na 0-100% zmeny zaťaženia v priebehu niekoľkých sekúnd.Patentovaná technológia Hoeller prechádza validačnými testami a testovacie zariadenie bude postavené do konca roku 2020.

Čistota vodíka produkovaného PEM článkami môže byť až 99,99 %, čo je viac ako u alkalických článkov.Okrem toho extrémne nízka priepustnosť polymérnej membrány pre plyny znižuje riziko tvorby horľavých zmesí, čo umožňuje elektrolyzéru pracovať pri extrémne nízkych prúdových hustotách.Vodivosť vody privádzanej do elektrolyzéra musí byť menšia ako 1S/cm.Pretože transport protónov cez polymérnu membránu rýchlo reaguje na kolísanie výkonu, PEM články môžu pracovať v rôznych režimoch napájania.Hoci PEM článok bol komercializovaný, má určité nevýhody, najmä vysoké investičné náklady a vysoké náklady ako na membránu, tak na elektródy na báze drahých kovov.Navyše životnosť PEM článkov je kratšia ako životnosť alkalických článkov.V budúcnosti je potrebné výrazne zlepšiť kapacitu PEM článku na výrobu vodíka.