Kemajuan teknologi pengeluaran hidrogen air elektrolitik membran pertukaran proton (PEM) dan analisis ekonomi

Pada tahun 1966, General Electric Company telah membangunkan sel elektrolitik air berdasarkan konsep pengaliran proton, menggunakan membran polimer sebagai elektrolit.Sel PEM telah dikomersialkan oleh General Electric pada tahun 1978.Pada masa ini, syarikat menghasilkan lebih sedikit sel PEM, terutamanya kerana pengeluaran hidrogennya yang terhad, jangka hayat yang singkat dan kos pelaburan yang tinggi.Sel PEM mempunyai struktur bipolar, dan sambungan elektrik antara sel dibuat melalui plat bipolar, yang memainkan peranan penting dalam menyahcas gas yang dihasilkan.Anod, katod, dan kumpulan membran membentuk perhimpunan elektrod membran (MEA). Elektrod biasanya terdiri daripada logam berharga seperti platinum atau iridium.Di anod, air dioksidakan untuk menghasilkan oksigen, elektron dan proton.Di katod, oksigen, elektron dan proton yang dihasilkan oleh anod beredar melalui membran ke katod, di mana ia dikurangkan untuk menghasilkan gas hidrogen.Prinsip elektrolisis PEM ditunjukkan dalam rajah.

Sel elektrolitik PEM biasanya digunakan untuk pengeluaran hidrogen berskala kecil, dengan pengeluaran hidrogen maksimum kira-kira 30Nm3/j dan penggunaan kuasa 174kW.Berbanding dengan sel alkali, kadar pengeluaran hidrogen sebenar sel PEM hampir meliputi keseluruhan julat had.Sel PEM boleh berfungsi pada ketumpatan arus yang lebih tinggi daripada sel alkali, malah sehingga 1.6A/cm2, dan kecekapan elektrolitik ialah 48%-65%.Kerana filem polimer tidak tahan kepada suhu tinggi, suhu sel elektrolitik selalunya di bawah 80°C.Elektrolisis Hoeller telah membangunkan teknologi permukaan sel yang dioptimumkan untuk elektrolisis PEM kecil. Sel boleh direka bentuk mengikut keperluan, mengurangkan jumlah logam berharga dan meningkatkan tekanan operasi.Kelebihan utama elektrolisis PEM ialah pengeluaran hidrogen berubah hampir serentak dengan tenaga yang dibekalkan, yang sesuai untuk perubahan permintaan hidrogen.Sel Hoeller bertindak balas kepada 0-100% perubahan rating beban dalam beberapa saat.Teknologi Hoeller yang dipatenkan sedang menjalani ujian pengesahan, dan kemudahan ujian akan dibina pada penghujung tahun 2020.

Ketulenan hidrogen yang dihasilkan oleh sel PEM boleh setinggi 99.99%, iaitu lebih tinggi daripada sel beralkali.Di samping itu, kebolehtelapan gas yang sangat rendah pada membran polimer mengurangkan risiko membentuk campuran mudah terbakar, membolehkan elektrolisis beroperasi pada ketumpatan arus yang sangat rendah.Kekonduksian air yang dibekalkan kepada elektrolisis mestilah kurang daripada 1S/cm.Oleh kerana pengangkutan proton merentasi membran polimer bertindak balas dengan cepat kepada turun naik kuasa, sel PEM boleh beroperasi dalam mod bekalan kuasa yang berbeza.Walaupun sel PEM telah dikomersialkan, ia mempunyai beberapa kelemahan, terutamanya kos pelaburan yang tinggi dan perbelanjaan tinggi kedua-dua membran dan elektrod berasaskan logam berharga.Di samping itu, hayat perkhidmatan sel PEM adalah lebih pendek daripada sel alkali.Pada masa hadapan, kapasiti sel PEM untuk menghasilkan hidrogen perlu dipertingkatkan dengan banyak.