Преглед на PEM производството на водород чрез водна електролиза I

Преглед на PEM производство на водород чрез водна електролиза I

Водородът е чист и гъвкав енергиен носител, който може да се използва за осигуряване на електричество и топлина. Задвижваните с водород превозни средства и стационарното производство на електроенергия са технологии с нулеви емисии. Водородът може да се произвежда както от традиционните изкопаеми горива, така и от безвъглеродни енергийни източници, като и двата се използват за съхранение на енергия и осигуряват бързо управление на мрежата.

Понастоящем само 4% от водорода се произвежда чрез електролиза, главно чрез използване на евтини методи за подготовка, като реформиране на природен газ или рафиниран газ. Но в бъдеще възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) ще представляват значителна част от произведената електроенергия. Електролизата се счита за най-чистия начин за производство на водород с помощта на възобновяема енергия.

Новопоявяващо се приложение за електролизери е в сектора „захранване към газ“. Водородът, произведен от електролизатори, свързани към ВЕИ, се инжектира в газовата мрежа. Този подход позволява използването на газопроводи като големи „резервоари за съхранение“ и избягва изграждането на нова инфраструктура. Количеството впръскан водород зависи от разпоредбите на всяка страна. Този проблем може да бъде решен чрез метаниране, при което водородът и въглеродният оксид/въглероден диоксид се превръщат в устойчив метан. Водородът, съхраняван в инфраструктурата за природен газ, може да се използва за отопление, транспорт или да се преобразува в електричество. Станциите за зареждане с производство на водород на място са друго приложение за електролизатори.

Основните предимства на PEM електролизата пред алкалната електролиза са по-висока безопасност и надеждност, тъй като не се използва корозивен електролит. В допълнение, възможността за работа при големи разлики в налягането през мембраната избягва компресията на кислорода. Благодарение на твърдите и тънки мембрани, PEM електролизата има по-бърз йонен транспорт от алкалната електролиза. Течните електролити имат по-голяма инерция по отношение на йонния транспорт. Алкалните електролизатори реагират бавно, когато електролизаторът работи при променливи условия и имат трудности при стартиране след изключване. В допълнение, технологията може да работи при по-високи плътности на тока в сравнение с алкалните електролизатори.

Катализатор
Скъпите благородни материали обикновено се използват като електрокатализатори в PEM електролизата. Най-често се използват паладий или платина на катода за реакция на отделяне на водород (HER) и иридиев или рутениев оксид на анода за реакция на отделяне на кислород (OER). IrO2 проявява по-висока устойчивост на корозия от RuO2, но показва слаба OER активност. RuO2 се представя добре в диапазона на нисък свръхнапрежение, но проблемите със стабилността възпрепятстват практическите приложения. Стабилността на RuO2 може леко да се подобри чрез използване на бинарни твърди разтвори IrO2–RuO2. Използването на IrO2 с малък размер на частиците (2–3 nm) може да намали натоварването на благороден метал, като същевременно поддържа подобна производителност. Проводимостта, електрокаталитичната активност и стабилността са предизвикателни аспекти на катализаторите от неблагородни метали.

Протонна обменна мембрана
При PEM електролизата мембраните на перфлуоросулфоновата киселина (PFSA) се използват като твърди електролити. Важни свойства на PEM електролизерните мембрани са ниското кръстосване, способността да работят при високи температури (>100°C) и високата механична устойчивост. Преминаването в PEMWE може да повреди мембраната и да доведе до повреда на стека. Реакцията на водород и кислород е много екзотермична и причинява локално нагряване, което с времето може да увреди мембраната. Този проблем е особено важен, когато електролизаторът работи при високо налягане (до 350 бара). Възможността за работа при високо налягане позволява да се намали механичната енергия, необходима за херметизиране на газа.

В тези приложения е необходимо ниско ниво на кръстосване и изисква подходяща дебелина на полимерния филм. Друго важно механично свойство на полимерните филми е устойчивостта на разкъсване. Всъщност, по време на процеса на сглобяване на стека се генерират големи напрежения, особено между ръбовете на електродите и уплътненията. Добрите свойства на опън и ниската устойчивост на разкъсване са ключови свойства на полимерните мембрани в електролизаторите с протонообменна мембрана. Обикновено композитни или подсилени мембрани се използват за работа при високи налягания и температури. PEM електролизерите работят при високи температури (>100°C), което намалява промяната на свободната енергия на Gibb и подобрява кинетиката на реакцията. В допълнение, ниската им цена ги прави реален и привлекателен вариант за PEM електролизатори.