Protonu apmaiņas membrānas (PEM) elektrolītiskā ūdens ūdeņraža ražošanas tehnoloģiju attīstība un ekonomiskā analīze

1966. gadā General Electric Company izstrādāja ūdens elektrolītisko šūnu, pamatojoties uz protonu vadīšanas koncepciju, izmantojot polimēru membrānu kā elektrolītu. Uzņēmums General Electric 1978. gadā tirgoja PEM elementus. Pašlaik uzņēmums ražo mazāk PEM elementu, galvenokārt ierobežotās ūdeņraža ražošanas, īsa mūža un augsto investīciju izmaksu dēļ. PEM šūnai ir bipolāra struktūra, un elektriskie savienojumi starp šūnām tiek veidoti caur bipolārām plāksnēm, kurām ir svarīga loma radīto gāzu izvadīšanā. Anods, katods un membrānas grupa veido membrānas elektrodu komplektu (MEA). Elektrods parasti sastāv no dārgmetāliem, piemēram, platīna vai irīdija. Pie anoda ūdens tiek oksidēts, veidojot skābekli, elektronus un protonus. Katodā skābeklis, elektroni un protoni, ko ražo anoda, cirkulē caur membrānu uz katodu, kur tie tiek reducēti, veidojot ūdeņraža gāzi. PEM elektrolizatora princips ir parādīts attēlā.

PEM elektrolītiskās šūnas parasti tiek izmantotas neliela apjoma ūdeņraža ražošanai ar maksimālo ūdeņraža ražošanas jaudu aptuveni 30 Nm3/h un enerģijas patēriņu 174 kW. Salīdzinot ar sārma elementu, PEM šūnas faktiskais ūdeņraža ražošanas ātrums gandrīz aptver visu robežu diapazonu. PEM šūna var strādāt ar lielāku strāvas blīvumu nekā sārma šūna, pat līdz 1,6 A/cm2, un elektrolītiskā efektivitāte ir 48–65%. Tā kā polimēra plēve nav izturīga pret augstu temperatūru, elektrolītiskās šūnas temperatūra bieži ir zemāka par 80°C. Hoeller elektrolizators ir izstrādājis optimizētu šūnu virsmas tehnoloģiju maziem PEM elektrolizatoriem. Šūnas var tikt konstruētas atbilstoši prasībām, samazinot dārgmetālu daudzumu un palielinot darba spiedienu. PEM elektrolizatora galvenā priekšrocība ir tā, ka ūdeņraža ražošana mainās gandrīz sinhroni ar piegādāto enerģiju, kas ir piemērota ūdeņraža pieprasījuma maiņai. Hoellera šūnas reaģē uz 0–100% slodzes izmaiņām sekundēs. Hoellera patentētajai tehnoloģijai tiek veikti validācijas testi, un testēšanas iekārta tiks uzbūvēta līdz 2020. gada beigām.

PEM šūnu ražotā ūdeņraža tīrība var sasniegt 99,99%, kas ir augstāka nekā sārmainās šūnās. Turklāt polimēra membrānas ārkārtīgi zemā gāzu caurlaidība samazina uzliesmojošu maisījumu veidošanās risku, ļaujot elektrolizatoram darboties ar ārkārtīgi zemu strāvas blīvumu. Elektrolizatoram piegādātā ūdens vadītspējai jābūt mazākai par 1S/cm. Tā kā protonu transportēšana pa polimēra membrānu ātri reaģē uz jaudas svārstībām, PEM šūnas var darboties dažādos barošanas režīmos. Lai gan PEM šūna ir komercializēta, tai ir daži trūkumi, galvenokārt augstās investīciju izmaksas un augstās izmaksas gan no membrānas, gan uz dārgmetālu balstītu elektrodu. Turklāt PEM šūnu kalpošanas laiks ir īsāks nekā sārma elementu kalpošanas laiks. Nākotnē PEM šūnas spēja ražot ūdeņradi ir ievērojami jāuzlabo.