Prootonvahetusmembraani (PEM) elektrolüütilise vee vesiniku tootmise tehnoloogia areng ja majandusanalüüs

1966. aastal töötas General Electric Company välja prootonijuhtivuse kontseptsioonil põhineva vee-elektrolüütilise elemendi, kasutades elektrolüüdina polümeermembraani.General Electric turustas PEM-rakud 1978. aastal.Praegu toodab ettevõte vähem PEM-elemente, peamiselt piiratud vesiniku tootmise, lühikese eluea ja kõrgete investeerimiskulude tõttu.PEM-rakk on bipolaarse struktuuriga ning elementidevahelised elektriühendused luuakse bipolaarsete plaatide kaudu, mis mängivad olulist rolli tekkivate gaaside tühjendamisel.Anood, katood ja membraanirühm moodustavad membraanielektroodisõlme (MEA). Elektrood koosneb tavaliselt väärismetallidest nagu plaatina või iriidium.Anoodil oksüdeeritakse vesi hapniku, elektronide ja prootonite tootmiseks.Katoodil ringlevad anoodi toodetud hapnik, elektronid ja prootonid läbi membraani katoodile, kus need redutseeritakse vesinikgaasi saamiseks.PEM elektrolüsaatori põhimõte on näidatud joonisel.

PEM elektrolüütelemente kasutatakse tavaliselt väikesemahuliseks vesiniku tootmiseks, mille maksimaalne vesiniku tootmine on umbes 30 Nm3/h ja energiatarve 174 kW.Võrreldes leeliselemendiga katab PEM-elemendi tegelik vesiniku tootmise kiirus peaaegu kogu piirvahemiku.PEM-element võib töötada A suurema voolutihedusega kui leeliselement, isegi kuni 1,6A/cm2 ja elektrolüütiline efektiivsus on 48%-65%.Kuna polümeerkile ei ole kõrgele temperatuurile vastupidav, on elektrolüütielemendi temperatuur sageli alla 80 °C.Hoelleri elektrolüsaator on välja töötanud optimeeritud rakupinna tehnoloogia väikeste PEM-elektrolüüsiseadmete jaoks. Rakke saab projekteerida vastavalt nõuetele, vähendades väärismetallide hulka ja suurendades töörõhku.PEM elektrolüsaatori peamine eelis on see, et vesiniku tootmine muutub peaaegu sünkroonselt tarnitava energiaga, mis sobib vesinikuvajaduse muutmiseks.Hoelleri rakud reageerivad 0–100% koormusreitingu muutustele sekunditega.Hoelleri patenteeritud tehnoloogia on läbimas valideerimiskatseid ja katserajatis ehitatakse 2020. aasta lõpuks.

PEM-rakkude toodetud vesiniku puhtus võib olla kuni 99,99%, mis on kõrgem kui leeliselistel rakkudel.Lisaks vähendab polümeermembraani ülimadal gaasi läbilaskvus tuleohtlike segude tekkimise ohtu, võimaldades elektrolüsaatoril töötada ülimadala voolutiheduse juures.Elektrolüsaatorisse antava vee juhtivus peab olema alla 1S/cm.Kuna prootoni transport läbi polümeermembraani reageerib kiiresti võimsuse kõikumisele, võivad PEM-rakud töötada erinevatel toiterežiimidel.Kuigi PEM-element on turule viidud, on sellel mõned puudused, peamiselt kõrged investeerimiskulud ja nii membraani- kui ka väärismetallipõhiste elektroodide suured kulud.Lisaks on PEM-elementide kasutusiga lühem kui leeliselementidel.Tulevikus tuleb PEM-rakkude vesiniku tootmise võimet oluliselt parandada.