Prezentare generală a producției de hidrogen PEM prin electroliza apei I

Prezentare generală a Producția de hidrogen PEM prin electroliza apei I

Hidrogenul este un purtător de energie curat și flexibil care poate fi folosit pentru a furniza energie electrică și căldură. Vehiculele alimentate cu hidrogen și generarea staționară de energie sunt tehnologii cu emisii zero. Hidrogenul poate fi produs atât din combustibili fosili tradiționali, cât și din surse de energie fără carbon, ambele fiind folosite pentru a stoca energie și pentru a asigura un management receptiv al rețelei.

În prezent, doar 4% din hidrogen este produs prin electroliză, utilizând în principal metode de preparare cu costuri reduse, cum ar fi reformarea gazelor naturale a gazului natural sau gazul de rafinărie. Cu toate acestea, în viitor, sursele de energie regenerabilă (SRE) vor reprezenta o parte semnificativă din energia electrică produsă. Electroliza este considerată cea mai curată modalitate de a produce hidrogen folosind energie regenerabilă.

O aplicație emergentă pentru electrolizoare este în sectorul „power to gaz”. Hidrogenul produs de electrolizatoarele conectate la SRE este injectat în rețeaua de gaz. Această abordare permite utilizarea conductelor de gaz ca „rezervoare de stocare” mari și evită construirea de noi infrastructuri. Cantitatea de hidrogen injectată depinde de reglementările fiecărei țări. Această problemă poate fi rezolvată prin metanizare, în care hidrogenul și monoxidul de carbon/dioxidul de carbon sunt transformați în metan durabil. Hidrogenul stocat în infrastructura de gaze naturale poate fi folosit pentru încălzire, transport sau reconvertit în energie electrică. Stațiile de realimentare cu producție de hidrogen la fața locului sunt o altă aplicație pentru electrolizoare.

Principalele avantaje ale electrolizei PEM față de electroliza alcalină sunt siguranța și fiabilitatea mai ridicate, deoarece nu se utilizează electrolit coroziv. În plus, posibilitatea de a funcționa la diferențe mari de presiune pe membrană evită compresia oxigenului. Datorită membranelor solide și subțiri, electroliza PEM are un transport ionic mai rapid decât electroliza alcalină. Electroliții lichizi au o inerție mai mare în ceea ce privește transportul ionilor. Electrolizoarele alcaline reacționează lent atunci când electrolizorul funcționează în condiții fluctuante și au dificultăți la pornire după oprire. În plus, tehnologia poate fi operată la densități de curent mai mari decât electrolizatoarele alcaline.

Catalizator
Materialele nobile scumpe sunt de obicei folosite ca electrocatalizatori în electroliza PEM. Paladiul sau platina la catod pentru reacția de degajare a hidrogenului (HER) și oxidul de iridiu sau ruteniu la anod pentru reacția de degajare a oxigenului (OER) sunt cel mai frecvent utilizate. IrO2 prezintă o rezistență la coroziune mai mare decât RuO2, dar prezintă o activitate OER slabă. RuO2 funcţionează bine în intervalul de suprapotenţial scăzut, dar problemele de stabilitate împiedică aplicaţiile practice. Stabilitatea RuO2 poate fi ușor îmbunătățită prin utilizarea soluțiilor solide binare IrO2-RuO2. Utilizarea particulelor mici (2–3 nm) IrO2 poate reduce încărcarea cu metal nobil, menținând în același timp o performanță similară. Conductibilitatea, activitatea electrocatalitică și stabilitatea sunt aspecte provocatoare ale catalizatorilor din metale nenobile.

Membrană de schimb de protoni
În electroliza PEM, membranele de acid perfluorosulfonic (PFSA) sunt utilizate ca electroliți solizi. Proprietățile importante ale membranelor de electrolizor PEM sunt încrucișarea scăzută, capacitatea de a lucra la temperaturi ridicate (>100°C) și rezistența mecanică ridicată. Încrucișarea în PEMWE poate deteriora membrana și poate duce la defectarea stivei. Reacția hidrogenului și oxigenului este foarte exotermă și provoacă încălzire locală, care în timp poate deteriora membrana. Această problemă este deosebit de importantă atunci când electrolizatorul funcționează la presiune ridicată (până la 350 bar). Posibilitatea de funcționare la presiune ridicată permite reducerea energiei mecanice necesare pentru presurizarea gazului.

În aceste aplicații, este necesar un nivel scăzut de încrucișare și necesită o grosime adecvată a filmului de polimer. O altă proprietate mecanică importantă a filmelor polimerice este rezistența la rupere. De fapt, în timpul procesului de asamblare a stivei, se generează solicitări mari, în special între marginile electrodului și garnituri. Proprietățile bune de întindere și rezistența scăzută la propagare a ruperii sunt proprietăți cheie ale membranelor polimerice din electrolizoarele cu membrană schimbătoare de protoni. De obicei, membranele compozite sau armate sunt utilizate pentru a funcționa la presiuni și temperaturi ridicate. Electrolizatoarele PEM funcționează la temperaturi ridicate (>100°C), ceea ce reduce schimbarea energiei libere Gibb și îmbunătățește cinetica reacției. În plus, costul lor redus le face o opțiune reală și atractivă pentru Electrolizoare PEM.