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

در سال 1966، شرکت جنرال الکتریک سلول الکترولیتی آب را بر اساس مفهوم هدایت پروتون، با استفاده از غشای پلیمری به عنوان الکترولیت توسعه داد.سلول های PEM توسط جنرال الکتریک در سال 1978 تجاری شد.در حال حاضر، این شرکت سلول‌های PEM کمتری تولید می‌کند، عمدتاً به دلیل تولید محدود هیدروژن، عمر کوتاه و هزینه سرمایه‌گذاری بالا.یک سلول PEM ساختاری دوقطبی دارد و اتصالات الکتریکی بین سلول ها از طریق صفحات دوقطبی ایجاد می شود که نقش مهمی در تخلیه گازهای تولید شده ایفا می کنند.گروه آند، کاتد و غشاء مجموعه الکترود غشایی (MEA) را تشکیل می دهند. الکترود معمولا از فلزات گرانبها مانند پلاتین یا ایریدیوم تشکیل شده است.در آند، آب برای تولید اکسیژن، الکترون و پروتون اکسید می شود.در کاتد، اکسیژن، الکترون‌ها و پروتون‌های تولید شده توسط آند از طریق غشاء به کاتد گردش می‌کنند و در آنجا برای تولید گاز هیدروژن احیا می‌شوند.اصل الکترولیز PEM در شکل نشان داده شده است.

سلول های الکترولیتی PEM معمولاً برای تولید هیدروژن در مقیاس کوچک با حداکثر تولید هیدروژن حدود 30 نیوتن متر مکعب در ساعت و مصرف برق 174 کیلووات استفاده می شود.در مقایسه با سلول قلیایی، نرخ واقعی تولید هیدروژن سلول PEM تقریباً کل محدوده حد را پوشش می دهد.سلول PEM می تواند با چگالی جریان A بالاتر از سلول قلیایی، حتی تا 1.6A/cm2 کار کند و راندمان الکترولیتی 48٪ -65٪ است.از آنجایی که لایه پلیمری در برابر دمای بالا مقاوم نیست، دمای سلول الکترولیتی اغلب زیر 80 درجه سانتیگراد است.الکترولایزر هولر یک فناوری سطح سلولی بهینه را برای الکترولیزهای کوچک PEM توسعه داده است. سلول ها را می توان با توجه به الزامات طراحی کرد و میزان فلزات گرانبها را کاهش داد و فشار عملیاتی را افزایش داد.مزیت اصلی الکترولیز PEM این است که تولید هیدروژن تقریباً همزمان با انرژی عرضه شده تغییر می کند که برای تغییر تقاضای هیدروژن مناسب است.سلول های هولر به تغییرات رده بندی بار 0 تا 100 درصد در چند ثانیه پاسخ می دهند.فناوری ثبت اختراع هولر در حال انجام آزمایشات اعتبار سنجی است و مرکز آزمایش تا پایان سال 2020 ساخته خواهد شد.

خلوص هیدروژن تولید شده توسط سلول های PEM می تواند تا 99.99 درصد باشد که بالاتر از سلول های قلیایی است.علاوه بر این، نفوذپذیری گاز بسیار کم غشای پلیمری خطر تشکیل مخلوط های قابل اشتعال را کاهش می دهد و به الکترولیز اجازه می دهد تا در چگالی جریان بسیار کم کار کند.رسانایی آب عرضه شده به الکترولایزر باید کمتر از 1S/cm باشد.از آنجایی که انتقال پروتون از طریق غشای پلیمری به سرعت به نوسانات برق پاسخ می دهد، سلول های PEM می توانند در حالت های مختلف منبع تغذیه کار کنند.اگرچه سلول PEM تجاری شده است، اما دارای معایبی است، عمدتاً هزینه سرمایه گذاری بالا و هزینه بالای الکترودهای مبتنی بر غشاء و فلزات گرانبها.علاوه بر این، عمر سلول های PEM کوتاه تر از سلول های قلیایی است.در آینده، ظرفیت سلول PEM برای تولید هیدروژن نیاز به بهبود زیادی دارد.