El nababagong hydrogen Nawala ito sa adyenda ng enerhiya ng Europa bilang isa sa mga pangunahing estratehiya para sa pagbabawas ng mga emisyon at pagpapalakas ng kalayaan sa enerhiya. Ngunit para maging cost-competitive ang pangakong ito, ang mga teknolohiyang gumagawa nito, at lalo na ang Mga electrolyzer ng PEMKailangan nilang gumawa ng malaking hakbang sa kahusayan, tibay, at kakayahang mapalawak ang industriya.
Hanggang ngayon, mga electrolyzer ng lamad ng pagpapalit ng proton Isa sila sa mga pinakakawili-wiling opsyon para sa pag-angkop sa enerhiya ng hangin at photovoltaic dahil sa kanilang mabilis na pagtugon at sa kanilang kakayahang makabuo ng mataas na kadalisayan na hydrogen sa mataas na presyon. Gayunpaman, sila ay nagdurusa mula sa mataas na gastos at limitadong habang-buhayNag-udyok ito ng pananaliksik sa mga bagong materyales, disenyo ng stack, modelo ng degradasyon, at mga advanced na estratehiya sa pagkontrol upang mas masulit ang mga ito.
Mga Pangunahing Kaalaman sa PEM electrolysis at mga Benepisyo nito kumpara sa Iba Pang Teknolohiya
Ang isang PEM electrolyzer ay batay sa isang lamad ng pagpapalit ng proton na polimeriko na gumaganap bilang isang solidong electrolyte at separator sa pagitan ng anode at cathode. Kapag ang isang direktang kuryente ay inilapat, ang tubig ay ipinapasok sa gilid ng anode, kung saan ito ay nabubulok ayon sa reaksyon ng oksihenasyon: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. tumatawid ang mga proton sa lamad, habang ang mga electron ay inililihis sa pamamagitan ng panlabas na circuit patungo sa cathode.
Sa katod, ang mga proton na ito ay muling nagsasama-sama sa mga electron na dumarating sa pamamagitan ng mga kable ng kuryente upang mabuo hydrogen gas (4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂)Dahil sa halos hindi tinatablan ng mga gas ang lamad, ang hydrogen at oxygen ay perpektong naghihiwalay, na nagreresulta sa isang mataas na kadalisayan na gas na H₂ na halos walang pangangailangan para sa karagdagang mga yugto ng paglilinis.
Isa sa mga pangunahing bentahe ng teknolohiyang PEM ay ang kakayahang gumana sa mataas na densidad ng kasalukuyang (sa order ng ilang A/cm²), mas mataas kaysa sa mga tipikal na alkaline electrolyzers. Ito ay dahil sa mahusay na proton conductivity ng PFSA ionomer ng membrane at ang pagliit ng mga ohmic losses salamat sa napakaikling distansya sa pagitan ng mga electrode at isang napaka-komplikadong arkitektura ng cell.
Ang isa pang pangunahing bentahe ay ang napakabilis na tugon Bilang tugon sa mga pagbabago-bago sa kuryente, kayang dagdagan o bawasan ng mga PEM electrolyser ang produksyon ng hydrogen sa loob lamang ng ilang segundo, kaya mainam ang mga ito para sa pagsasama sa mga paulit-ulit na pinagmumulan ng renewable energy tulad ng hangin o solar. Kapag may labis na henerasyon, ang cell ay gumagana sa buong kapasidad; kapag bumababa ang produksyon, ang kagamitan ay maayos na binabawasan ang pagkonsumo nito.
Kung ikukumpara sa mga alternatibong teknolohiya, ang mga alkaline electrolyzer Nanatili silang pinakamahinog at pinakamatipid na opsyon para sa malawakang aplikasyon, umaasa sa isang alkaline aqueous solution (tulad ng KOH) na naghahatid ng mga OH⁻ ion sa pagitan ng mga electrode. Karaniwan silang gumagana sa pagitan ng 70 at 90 °C, na may mga nickel electrode at napakatatag na tuluy-tuloy na operasyon, ngunit nagpapakita ng mas mabagal na oras ng pagtugon, mas malalaking kagamitan at mas mababang kadalisayan ng hydrogen nang walang karagdagang mga sistema ng pagsasala.
Sa kabilang sukdulan ay ang mga electrolyzer ng solid oxide (SOEC)Ang mga aparatong ito ay gumagana sa napakataas na temperatura (700-1.000 °C) gamit ang mga ceramic electrolyte. Ang kanilang thermodynamic efficiency ay mahusay salamat sa heat-assisted electrolysis, at ang mga ito ay angkop para sa mga concentrated solar power plant at thermal storage, ngunit ang kanilang gastos, kasalimuotan at mga hamon sa materyal Ang mataas na temperatura ay nananatiling malaking balakid sa pag-deploy ng masa.
Sa pagitan ng dalawang mundong ito ay lumilitaw ang mga electrolyzer ng anion exchange membrane (AEM)Ang umuusbong pa ring teknolohiyang ito ay naglalayong pagsamahin ang mga bentahe ng mga alkali metal refrigerant (mababang gastos, operasyon sa mga pangunahing kapaligiran) na may compact na arkitekturang uri ng PEM. Gumagamit ang mga ito ng anion-conducting polymer membrane, na nagbibigay-daan para sa paggamit ng mas kaunting mga noble metal at nagbubukas ng pinto sa... mas mababang gastos at mas mahabang buhay kapag umabot na sila sa komersyal na kapanahunan.
Mga kritikal na bahagi ng isang modernong PEM electrolyzer
Sa isang PEMEL, ang lahat ay umiikot sa lamad ng pagpapalitan ng proton (PEM)Ito ay karaniwang isang Nafion-type PFSA ionomer. Pisikal na pinaghihiwalay ng foil na ito ang mga gas, dinadala ang mga proton mula sa anode patungo sa cathode, at elektrikal na nag-iinsulate sa parehong electrodes. Ang kapal, antas ng hydration, at panloob na istraktura nito ay higit na tumutukoy sa ionic resistance at sa hydrogen o oxygen crossing.
Ang pangunahing hamon ngayon sa mga lamad ng PFSA ay ang paghahanap ng balanse sa pagitan mataas na pagganap, kaligtasan at tibayUpang mapabuti ang konduktibiti, ang kapal ay kadalasang binabawasan, ngunit pinapataas nito ang permeability ng gas at pinapabilis ang pagkasira. Ang isang lalong karaniwang estratehiya ay ang paggamit pinatibay na mga lamadkung saan ang ionomer ay idineposito sa isang matatag na kalansay (hal., pinalawak na PTFE), na nakakamit ng mahusay na kondaktibiti na may mas mataas na mekanikal na katatagan.
Kasabay nito, ang mga lamad batay sa mga polimer ng hydrocarbon tulad ng SPEEK at iba pang mga materyales, kapwa sa anyong tuluy-tuloy na pelikula at sa mga composite na istruktura na may mga hibla o microporous na suporta. Ang mga opsyong ito ay maaaring mag-alok ng mas mahusay na thermal at chemical stability sa mas mababang gastos, sa kondisyon na makakamit ang mga halaga ng proton conductivity at durability na maihahambing sa mga komersyal na PFSA.
Los mga katalista Isa na naman itong bottleneck. Sa kasalukuyan, ang pamantayan sa PEMEL ay kinabibilangan ng carbon-supported platinum (Pt/C) para sa reaksyon ng hydrogen evolution sa cathode at iridium black o iridium oxide (Ir, IrOx) para sa reaksyon ng oxygen evolution sa anode. Ang mga platinum group metal na ito ay may mahusay na electrochemical activity, ngunit ang mga ito ay mahal at bihira, lalo na ang iridium.
Upang matugunan ang problema sa suplay at gastos, ang mga tagagawa at mga sentro ng pananaliksik ay nagtatrabaho sa bawasan ang iridium load kada kW at upang bumuo ng mas mahusay na mga suportadong katalista. Ang mga pinaghalong oksido tulad ng IrRuOx, mga nanostructured na katalista na may mas malaking aktibong lugar sa ibabaw, at mga alternatibo batay sa mga oksido, sulfide, o nitride ng mga transition metal na maaaring mapanatili ang pagganap gamit ang hindi gaanong noble metal ay kasalukuyang pinag-aaralan.
Ang paraan ng pagsasama ng mga katalistang ito sa stack ay mahalaga. Ang mga catalytic ink (isang pinaghalong catalytic particle at PFSA ionomer) ay ginagamit sa paggawa ng tinatawag na... lamad na pinahiran ng katalista (CCM), sentral na bahagi ng membrane-electrode assembly (MEA). Ang kapal ng layer, homogeneity, porosity, at distribution ng ionomer ang tumutukoy sa accessibility sa mga active site at sa sabay-sabay na transportasyon ng mga proton, electron, tubig, at mga gas.
ang mga patong ng pagsasabog ng gas (GDL) o mga patong ng transportasyon na may butas-butas (PTL) Ang MEA ay kinukumpleto sa magkabilang panig. Ang cathode ay karaniwang gumagamit ng carbon paper na may mga carbon fiber, PTFE, at carbon black, na siyang namamahagi ng tubig, nag-aalis ng hydrogen, at nagsasagawa ng mga electron. Ang anode ay gumagamit ng titanium felt na pinahiran ng isang napakanipis na pelikula ng platinum upang matiyak ang mataas na conductivity at resistensya sa corrosion sa isang kapaligirang lubos na nag-o-oxidize.
Kasama sa istruktural na bahagi ang mga platong bipolarAng mga plate na ito, na naghihiwalay sa mga cell ng fuel cell, ay nagsasagawa ng kuryente mula sa isang cell patungo sa susunod at naglalaman ng mga channel kung saan umiikot ang tubig at mga gas. Hindi ginagamit ng PEMEL ang tradisyonal na graphite na matatagpuan sa mga fuel cell; sa halip, gumagamit ito ng mga titanium plate na protektado ng mga patong na ginto at platinum sa mga ibabaw na nakadikit sa electrochemical media upang limitahan ang kalawang at contact resistance.
Isang napaka-maingat ngunit mahalagang elemento ay ang mga gasket at mga materyales sa pagbubuklodTinitiyak ng mga sheet o tape na ito (EPDM, FKM, PTFE, silicone, atbp.) na ang tubig, hydrogen, at oxygen ay nananatiling nakakulong sa loob ng kanilang mga circuit, na pumipigil sa mga tagas o hindi gustong mga halo. Ang kanilang disenyo ay tiyak na iniayon sa mga bipolar plate, at ang makabuluhang inobasyon ay ipinuhunan sa pag-optimize ng mga pormulasyon at proseso ng pagmamanupaktura, na nagreresulta sa matibay at hindi tinatablan ng tagas na mga seal na madaling isama sa mga automated na linya.
Mga proyektong R&D para sa pagpapabuti ng mga PEM electrolyzer: HEDERA at SMARTH2PEM
Sa Espanya, ilang nangungunang proyekto ang direktang nakatuon sa pagpapabuti ng mga PEM electrolyzer upang mapabilis ang berdeng ekonomiya ng hydrogen. Kabilang sa mga ito ang HEDERA at SMARTH2PEM, na itinataguyod ng mga institusyong teknolohikal tulad ng ITE, AIDIMME at AIJU, na may suporta mula sa mga programang R&D ng IVACE+i at co-financing ng ERDF.
Ang proyekto Hedera Ito ay nabuo na nakatuon sa mas mura at mas matibay na renewable hydrogen, na may kakayahang maayos na maisama sa mga sistemang pang-industriya sa totoong mundo. Nagmula ito sa isang malinaw na diagnosis: ang mga kasalukuyang PEM ay nag-aalok ng mataas na kadalisayan ng hydrogen at angkop para sa mga pinagkukunan ng renewable energy, ngunit ang kanilang gastos at napaaga na pagkasira ay nananatiling malaking hadlang sa malawakang pag-deploy.
Upang matugunan ang mga problemang ito, nakatuon ang HEDERA sa pagpapaunlad ng mga bagong elektrod ng PEM Nakakamit ito gamit ang mga catalytic ink na inilapat sa pamamagitan ng mga advanced na pamamaraan ng patong. Ang layunin ay makakuha ng mga aktibong layer na may pinahusay na kahusayan, higit na pagpapanatili (mas kaunting pag-asa sa mga mahahalagang metal), at nabawasang pagkasira, sa gayon ay pinapahusay ang pagganap at habang-buhay ng sistema.
Kasabay nito, ang konsorsyum ay bumubuo ng isang modelo ng prediksyon ng degradasyon Ang modelong ito ay magbibigay-daan sa pag-antisipa sa aktwal na pagkasira at pagkasira ng kagamitan sa ilalim ng mga kondisyon ng pagpapatakbo ng renewable energy: madalas na pagsisimula at paghinto, mga pagkakaiba-iba ng karga, takip ng ulap sa mga photovoltaic system, biglaang pagbabago ng hangin, atbp. Gamit ang modelong ito, maaaring tukuyin ang mga matatalinong estratehiya sa pagpapatakbo upang pahabain ang buhay ng fuel cell at mabawasan ang gastos ng hydrogen na nalilikha.
Ipinapalagay ng Technological Institute of Energy (ITE) ang paggawa at masusing paglalarawan ng mga bagong electrodes sa kanilang mga laboratoryo, isinasailalim ang mga ito sa mga pagsubok sa ilalim ng mga pamantayan at kondisyon ng stress. Ang Laurentia Technologies ay nag-aambag ng kaalaman nito sa mga advanced na materyales upang mabuo at mapatunayan ang mas mahusay at napapanatiling mga katalista, habang ang Galesa ay nag-aalok ng totoong gamit pang-industriyaProduksyon ng hydrogen sa mismong lugar gamit ang mga photovoltaic surplus para sa direktang paggamit sa mga pugon, na bahagyang nagpapalit sa natural gas.
Kinukumpleto ng linkener ang bilog sa pamamagitan ng pagpapadali totoong photovoltaic generation at consumption curves ng mga kostumer na kumokonsumo sa sarili. Gamit ang datos na ito, nailalarawan ang mga karaniwang transient (mga ulap, bukang-liwayway, takipsilim, mga start-up, mga paghinto) na nakakaapekto sa pagkasira ng mga fuel cell, at sinusuri ang teknikal at ekonomikong posibilidad ng paggawa ng hydrogen na may sobrang enerhiya sa iba't ibang profile ng gumagamit, kahit na isinasaalang-alang ang mga pagpapalawak ng photovoltaic power.
Ang inaasahang mga resulta ng HEDERA ay nasa antas ng demonstrasyon sa isang kaugnay na kapaligiran: pinahusay na mga electrode ng PEM, napatunayang modelo ng degradasyon, isang algorithm ng pag-optimize na isinama sa isang modelo ng digital na planta at ilang mga senaryo ng pagpapatakbo na sinuri sa ITE hydrogen pilot plant, na nagsasama ng produksyon (PEM at alkaline), imbakan at pagkonsumo sa mga fuel cell.
Para sa bahagi nito, ang proyekto SMARTH2PEM Itinutuloy nito ang pagbuo ng isang low-power (humigit-kumulang 1 kW) na PEM electrolyzer ngunit may mapagkumpitensyang gastos at mataas na pagganap: hydrogen na may 99,99% na kadalisayan at presyon na higit sa 15 bar. Ang ideya ay magkaroon ng isang modular module na maaaring isama sa mga smart grid kasama ng mga renewable energy, na sinasamantala ang sobrang produksyon at bumabalik na enerhiya kapag mataas ang demand.
Upang makamit ito, ang SMARTH2PEM ay nakabalangkas sa dalawang pangunahing linya: ang pagbabawas ng gastos ng mga pangunahing sangkap (mga lamad, bipolar plate at electrocatalyst) nang hindi nawawala ang kahusayan, at ang na-optimize na disenyo ng bawat bahagi at ang kumpletong stack upang matiyak ang ligtas at mahusay na operasyon. Ang lahat ng ito ay may layuning mag-alok ng isang matatag at mapagkumpitensyang sistema kumpara sa mga kasalukuyang teknolohiya.
Ang AIDIMME, AIJU, at ITE ay may parehong pangunahing mga hamong teknolohikal. Isa na rito ang pagbuo ng mga bagong polymeric membrane Ang mga lamad na ito ay inangkop para sa operasyon na may mataas na presyon, na may mataas na kapasidad sa pagpapalitan ng ion at mahusay na mekanikal na resistensya. Halimbawa, may mga gawaing nagawa na gamit ang mga lamad na nakabatay sa SPEEK, na inaayos ang mga parameter ng synthesis at pinag-aaralan ang kanilang kondaktibiti, pagsipsip ng tubig, katatagan ng kemikal, at mga katangiang thermal.
Ang isa pang key block ay ang paggawa ng mga advanced na electrodes Para sa MEA, ang mga electrode ay ginawa para sa parehong kompartamento: mga cathode na may platinum bilang katalista at mga anode na may iridium oxide, na idineposito gamit ang mga electrochemical technique sa mga carbon paper support (cathodic side) at platinized titanium grids (anodic side). Ang mga mikroskopikong pagsusuri ay nagpapakita ng mahusay na distribusyon ng katalista, bagama't may mga isinasagawang trabaho upang makahanap ng mga suporta na may mas malaking surface area upang ma-maximize ang aktibong area.
Iniimbestigahan din ang mga bago mga electrocatalyst na may mas mahusay na dispersion at homogenous distribution ng mga aktibong site, binabawasan ang laki ng particle upang mabawasan ang catalytic load nang hindi isinasakripisyo ang kahusayan. Kabilang dito ang pagsasaayos ng affinity sa pagitan ng electrode at ng membrane, ang nilalaman ng ionomer sa electrode, at ang porosity ng support substrate, upang ang ionic at electronic conduction ay sabay na mapataas sa buong layer.
Bilang ang mga platong bipolarSinusuri ng proyekto ang mga alternatibong paggamot na lumalaban sa kalawang gamit ang mga materyales na mababa ang halaga, na may layuning bahagyang palitan ang solidong titanium ng mga hybrid na solusyon (mga pinahiran na bakal, mga kombinasyon ng haluang metal, atbp.) na nagpapahintulot bawasan ang gastos sa stack nang hindi isinasakripisyo ang katatagan sa serbisyo.
Kasama rin sa SMARTH2PEM ang pagbuo ng isang sistema ng patong ng plato sa pamamagitan ng mga makabagong teknolohiya tulad ng PVD o iba pang proseso ng deposition, upang mabawasan ang paggamit ng mga mahahalagang metal at mapataas ang habang-buhay sa ilalim ng presyon, temperatura, at mga kondisyon ng kapaligirang nag-o-oxidize na tipikal ng isang PEM.
Ang disenyo ng stack at single-cell ay na-optimize gamit ang mga tool mula sa fluid dynamic, istruktural at thermal simulationIsang partikular na test bench ang binuo upang patunayan ang kilos ng iisang cell, kilalanin ang pagganap ng mga electrode at membrane, at ihambing ang mga nabuong solusyon sa mga komersyal na reference elements.
Kasabay nito, kasama sa proyekto ang isang matalinong sistema ng kontrol na namamahala sa produksyon ng hydrogen nang ligtas at mahusay, na ginagaya ang mga kondisyon ng operasyon na nauugnay sa pagbuo ng renewable energy. Ang ideya ay ang pangwakas na prototype ay maaaring maayos na maisama sa mga smart grid, na ginagawang mahalagang bahagi ng imbakan ng enerhiya na nakabatay sa hydrogen ang electrolyzer.
Pagsasama ng mga PEM electrolyzer sa mga renewable at mga partikular na aplikasyon
Ang malaking kalakasan ng teknolohiyang PEM ay ang kakayahan nitong magkasya halos parang guwantes pabagu-bagong pinagkukunan ng nababagong enerhiyaDahil sa mabilis na pagtugon at kakayahang gumana sa malawak na hanay ng karga, sinisipsip ng mga sistemang ito ang sobrang produksyon ng photovoltaic o wind power at kino-convert ito sa maiimbak na hydrogen.
Sa mga aplikasyon ng pag-iimbak ng enerhiyaAng hydrogen na nalilikha ay maaaring gamitin sa mga fuel cell, inangkop na mga turbine, o i-inject sa mga gas network, na nagbibigay ng kakayahang umangkop sa electrical grid. Ang mga proyektong tulad ng Galesa, na sinusuri ang direktang paggamit ng hydrogen sa mga industrial furnace mula sa mga photovoltaic surplus, ay nagpapakita ng potensyal ng integrasyong ito upang unti-unting palitan ang natural gas sa mga masinsinang proseso ng thermal.
Sa larangan ng kadaliang kumilos na may hydrogenAng mga PEM electrolyzer ay may mahalagang papel sa pagsusuplay ng mataas na kadalisayan ng hydrogen sa mga refueling station para sa mga fuel cell vehicle, tren, mabibigat na trak, at mga espesyal na aplikasyon (militar, aerospace, long distance transport). Ang mataas na outlet pressure at kadalisayan ng gas ay lubos na nagpapadali sa compression, storage, at supply chain.
Nakakahanap din ng angkop na lugar ang teknolohiyang PEM sa mga klasikong sektor ng industriyakung saan ang hydrogen ay isang mahalagang hilaw na materyal: pagpino ng langis, produksyon ng ammonia, sintesis ng methanol, o pagproseso ng metal. Habang nagiging mas mahirap ang mga target ng decarbonization, ang pagpapalit ng gray hydrogen ng green hydrogen na ginawa ng electrolysis ay magiging isang pangunahing tagapagtaguyod ng kompetisyon at pagsunod sa mga regulasyon.
Mula sa perspektibo ng merkado, inaasahan na pangangailangan para sa mga bahagi para sa mga electrolyzer Ang merkado para sa mga materyales tulad ng mga membrane, catalyst, GDL, bipolar plate, at gasket ay inaasahang tataas nang husto sa mga darating na taon, na aabot sa sampu-sampung bilyong dolyar sa buong mundo kung maisasakatuparan ang mga plano sa pag-deploy ng green hydrogen. Nagbubukas ito ng iba't ibang oportunidad para sa mga tagagawa ng materyales, mga supplier ng kagamitan, at mga kumpanya ng inhinyeriya.
Upang samantalahin ang pagkakataong iyon nang hindi nahaharap sa mga limitasyon ng mga kakaunting mapagkukunan tulad ng iridium, malaking bahagi ng pagsisikap ay tututok sa Mag-innovate sa mga materyales na composite ng membrane, mga low-charge catalystMga advanced na coating at modular stack architecture. Ang industriyalisasyon ng mga tuloy-tuloy na proseso ng roll-to-roll para sa paggawa ng mga CCM at membrane, pati na rin ang mga high-precision coating technology, ay magiging susi sa pagbabawas ng mga gastos at pagtiyak ng pare-parehong pagganap sa malawakang saklaw.
Sa kontekstong ito, ang gawain ng mga institusyong teknolohikal at mga kumpanyang umuunlad na mga susunod na henerasyon ng PEM electrolyzerAng mga modelo ng degradasyon at mga intelligent control system ay kumakatawan sa isang hakbang pasulong sa pagpoposisyon ng kanilang mga sarili sa isang merkado na, ayon sa lahat ng ulat, ay lalago nang napakalakas sa susunod na dekada.
Ang lahat ng aktibidad na ito na nakapalibot sa mga PEM electrolyzer ay nagpapakita ng isang larawan kung saan ang kumbinasyon ng mga advanced na materyales, na-optimize na disenyo ng pile, digital integration, at mga predictive model ay magbibigay-daan sa pagkakaroon ng mas mahusay na kagamitan. matibay, mahusay at abot-kayaHabang pinagsasama-sama at inililipat ang mga pagpapabuting ito mula sa mga laboratoryo at pilot project patungo sa mga komersyal na aplikasyon, ang produksyon ng berdeng hydrogen ay tataas ang kompetisyon at pagiging maaasahan, na magpapadali sa paglipat ng energy vector na ito mula sa pangako patungo sa matibay na realidad sa transisyon ng enerhiya sa Europa.