Pokrok v technologii výroby vodíku pro protonové výměny (PEM) a ekonomická analýza

V roce 1966 vyvinula společnost General Electric Company vodní elektrolytický článek založený na koncepci protonové vodivosti, využívající jako elektrolyt polymerní membránu.PEM články byly uvedeny na trh společností General Electric v roce 1978.V současné době společnost vyrábí méně článků PEM, zejména kvůli omezené produkci vodíku, krátké životnosti a vysokým investičním nákladům.PEM článek má bipolární strukturu a elektrická spojení mezi články jsou vytvořena prostřednictvím bipolárních desek, které hrají důležitou roli při vypouštění generovaných plynů.Anoda, katoda a skupina membrán tvoří sestavu membránové elektrody (MEA). Elektroda je obvykle složena z drahých kovů, jako je platina nebo iridium.Na anodě se voda oxiduje za vzniku kyslíku, elektronů a protonů.Na katodě kyslík, elektrony a protony produkované anodou cirkulují přes membránu ke katodě, kde se redukují za vzniku plynného vodíku.Princip PEM elektrolyzéru je znázorněn na obrázku.

Elektrolytické články PEM se obvykle používají pro výrobu vodíku v malém měřítku s maximální produkcí vodíku asi 30 Nm3/h a spotřebou 174 kW.Ve srovnání s alkalickým článkem pokrývá skutečná rychlost produkce vodíku PEM článek téměř celý limitní rozsah.PEM článek může pracovat při vyšší proudové hustotě než alkalický článek, dokonce až 1,6A/cm2, a elektrolytická účinnost je 48%-65%.Protože polymerní film není odolný vůči vysoké teplotě, je teplota elektrolytického článku často nižší než 80 °C.Společnost Hoeller electrolyzer vyvinula optimalizovanou technologii povrchu článku pro malé elektrolyzéry PEM. Články lze navrhnout podle požadavků, snížit množství drahých kovů a zvýšit provozní tlak.Hlavní výhodou PEM elektrolyzéru je, že produkce vodíku se mění téměř synchronně s dodávanou energií, což je vhodné pro změnu potřeby vodíku.Hoellerovy články reagují na 0-100% změny zátěže během několika sekund.Patentovaná technologie společnosti Hoeller prochází ověřovacími testy a testovací zařízení bude postaveno do konce roku 2020.

Čistota vodíku produkovaného články PEM může dosahovat až 99,99 %, což je více než u alkalických článků.Kromě toho extrémně nízká propustnost polymerní membrány pro plyny snižuje riziko tvorby hořlavých směsí, což umožňuje elektrolyzéru pracovat při extrémně nízkých proudových hustotách.Vodivost vody přiváděné do elektrolyzéru musí být menší než 1S/cm.Protože transport protonů přes polymerní membránu rychle reaguje na kolísání výkonu, mohou PEM články pracovat v různých režimech napájení.Ačkoli byl PEM článek komerčně využit, má některé nevýhody, zejména vysoké investiční náklady a vysoké náklady jak na membránu, tak na elektrody na bázi drahých kovů.Životnost PEM článků je navíc kratší než u alkalických článků.V budoucnu je třeba výrazně zlepšit kapacitu PEM článku produkovat vodík.