Proton değişim membranı (PEM) elektrolitik su hidrojen üretim teknolojisi ilerlemesi ve ekonomik analiz

1966'da General Electric Company, elektrolit olarak polimer membran kullanarak proton iletim konseptine dayalı su elektrolitik hücre geliştirdi.PEM hücreleri, 1978'de General Electric tarafından ticarileştirildi.Şu anda şirket, sınırlı hidrojen üretimi, kısa ömür ve yüksek yatırım maliyeti nedeniyle daha az PEM hücresi üretiyor.Bir PEM hücresi iki kutuplu bir yapıya sahiptir ve hücreler arasındaki elektrik bağlantıları, üretilen gazların dışarı atılmasında önemli rol oynayan iki kutuplu plakalar aracılığıyla yapılır.Anot, katot ve membran grubu, membran elektrot düzeneğini (MEA) oluşturur. Elektrot genellikle platin veya iridyum gibi değerli metallerden oluşur.Anotta su oksitlenerek oksijen, elektronlar ve protonlar üretilir.Katotta, anot tarafından üretilen oksijen, elektronlar ve protonlar, zar boyunca katoda dolaşır ve burada hidrojen gazı üretmek için indirgenirler.PEM elektrolizör prensibi şekilde gösterilmiştir.

PEM elektrolitik hücreleri genellikle yaklaşık 30Nm3/h maksimum hidrojen üretimi ve 174kW güç tüketimi ile küçük ölçekli hidrojen üretimi için kullanılır.Alkali hücre ile karşılaştırıldığında, PEM hücresinin gerçek hidrojen üretim hızı neredeyse tüm sınır aralığını kapsar.PEM hücresi, alkali hücreden daha yüksek bir akım yoğunluğunda, hatta 1,6A/cm2'ye kadar çalışabilir ve elektrolitik verim %48-%65'tir.Polimer film yüksek sıcaklığa dayanıklı olmadığından, elektrolitik hücrenin sıcaklığı genellikle 80°C'nin altındadır.Hoeller elektrolizör, küçük PEM elektrolizörler için optimize edilmiş bir hücre yüzeyi teknolojisi geliştirmiştir. Hücreler ihtiyaca göre tasarlanabilir, değerli metal miktarını azaltır ve çalışma basıncını arttırır.PEM elektrolizörünün ana avantajı, hidrojen üretiminin, hidrojen talebinin değişmesi için uygun olan sağlanan enerji ile neredeyse eşzamanlı olarak değişmesidir.Hoeller hücreleri, saniyeler içinde %0-100 yük derecesi değişikliklerine yanıt verir.Hoeller'ın patentli teknolojisi doğrulama testlerinden geçiyor ve test tesisi 2020'nin sonuna kadar inşa edilecek.

PEM hücreleri tarafından üretilen hidrojenin saflığı, alkalin hücrelerinkinden daha yüksek olan %99,99'a kadar çıkabilir.Ek olarak, polimer membranın son derece düşük gaz geçirgenliği, yanıcı karışımlar oluşturma riskini azaltarak elektrolizörün son derece düşük akım yoğunluklarında çalışmasına izin verir.Elektrolizöre verilen suyun iletkenliği 1S/cm'den az olmalıdır.Polimer zar boyunca proton taşınması, güç dalgalanmalarına hızlı bir şekilde yanıt verdiğinden, PEM hücreleri farklı güç kaynağı modlarında çalışabilir.PEM hücresi ticarileşmiş olmasına rağmen, başta yüksek yatırım maliyeti ve hem membran hem de değerli metal bazlı elektrotların yüksek maliyeti olmak üzere bazı dezavantajları vardır.Ayrıca PEM hücrelerinin kullanım ömrü alkalin hücrelere göre daha kısadır.Gelecekte, PEM hücresinin hidrojen üretme kapasitesinin büyük ölçüde iyileştirilmesi gerekiyor.