Tiến bộ công nghệ sản xuất hydro nước điện phân màng trao đổi proton (PEM) và phân tích kinh tế

Năm 1966, Công ty General Electric đã phát triển tế bào điện phân nước dựa trên khái niệm dẫn proton, sử dụng màng polyme làm chất điện phân.Các tế bào PEM đã được General Electric thương mại hóa vào năm 1978.Hiện tại, công ty sản xuất ít tế bào PEM hơn, chủ yếu là do khả năng sản xuất hydro hạn chế, tuổi thọ ngắn và chi phí đầu tư cao.Một tế bào PEM có cấu trúc lưỡng cực và các kết nối điện giữa các tế bào được thực hiện thông qua các tấm lưỡng cực, đóng vai trò quan trọng trong việc thải khí được tạo ra.Nhóm cực dương, cực âm và màng tạo thành cụm điện cực màng (MEA). Điện cực thường bao gồm các kim loại quý như bạch kim hoặc iridi.Ở cực dương, nước bị oxy hóa để tạo ra oxy, electron và proton.Ở cực âm, oxy, electron và proton do cực dương tạo ra lưu thông qua màng đến cực âm, nơi chúng bị khử để tạo ra khí hydro.Nguyên lý của máy điện phân PEM được thể hiện trong hình.

Pin điện phân PEM thường được sử dụng để sản xuất hydro quy mô nhỏ, với công suất hydro tối đa khoảng 30Nm3/h và mức tiêu thụ điện năng là 174kW.So với pin kiềm, tốc độ sản xuất hydro thực tế của pin PEM gần như bao trùm toàn bộ phạm vi giới hạn.Tế bào PEM có thể hoạt động ở mật độ dòng điện cao hơn so với tế bào kiềm, thậm chí lên tới 1,6A/cm2 và hiệu suất điện phân là 48% -65%.Do màng polyme không chịu được nhiệt độ cao nên nhiệt độ của tế bào điện phân thường dưới 80°C.Máy điện phân Hoeller đã phát triển công nghệ bề mặt tế bào được tối ưu hóa cho máy điện phân PEM nhỏ. Các tế bào có thể được thiết kế theo yêu cầu, giảm lượng kim loại quý và tăng áp suất vận hành.Ưu điểm chính của máy điện phân PEM là sản lượng hydro thay đổi gần như đồng bộ với năng lượng cung cấp, phù hợp với sự thay đổi của nhu cầu hydro.Các tế bào Hoeller đáp ứng các thay đổi xếp hạng tải 0-100% trong vài giây.Công nghệ được cấp bằng sáng chế của Hoeller đang trải qua các thử nghiệm xác nhận và cơ sở thử nghiệm sẽ được xây dựng vào cuối năm 2020.

Độ tinh khiết của hydro được tạo ra bởi các tế bào PEM có thể lên tới 99,99%, cao hơn so với các tế bào kiềm.Ngoài ra, tính thấm khí cực thấp của màng polyme làm giảm nguy cơ hình thành các hỗn hợp dễ cháy, cho phép máy điện phân hoạt động ở mật độ dòng điện cực thấp.Độ dẫn điện của nước cấp cho máy điện phân phải nhỏ hơn 1S/cm.Vì sự vận chuyển proton qua màng polyme phản ứng nhanh chóng với sự dao động năng lượng, nên các tế bào PEM có thể hoạt động ở các chế độ cung cấp năng lượng khác nhau.Mặc dù tế bào PEM đã được thương mại hóa, nhưng nó có một số nhược điểm, chủ yếu là chi phí đầu tư cao và chi phí cao cho cả màng và điện cực dựa trên kim loại quý.Ngoài ra, tuổi thọ của các tế bào PEM ngắn hơn so với các tế bào kiềm.Trong tương lai, khả năng sản xuất hydro của tế bào PEM cần được cải thiện rất nhiều.