غشاء التبادل البروتوني (PEM) تقدم تكنولوجيا إنتاج هيدروجين الماء بالكهرباء والتحليل الاقتصادي

في عام 1966 ، طورت شركة جنرال إلكتريك خلية التحليل الكهربائي للماء على أساس مفهوم التوصيل بالبروتون ، باستخدام غشاء البوليمر كمحلول إلكتروليت.تم تسويق خلايا PEM بواسطة شركة جنرال إلكتريك في عام 1978.حاليًا ، تنتج الشركة عددًا أقل من خلايا PEM ، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاج الهيدروجين المحدود والعمر القصير وتكلفة الاستثمار العالية.تحتوي خلية PEM على هيكل ثنائي القطب ، ويتم إجراء التوصيلات الكهربائية بين الخلايا من خلال صفائح ثنائية القطب ، والتي تلعب دورًا مهمًا في تفريغ الغازات المتولدة.تشكل مجموعة القطب الموجب والكاثود والأغشية مجموعة القطب الغشائي (MEA). يتكون القطب عادة من معادن ثمينة مثل البلاتين أو الإيريديوم.عند الأنود ، يتأكسد الماء لإنتاج الأكسجين والإلكترونات والبروتونات.في القطب السالب ، يدور الأكسجين والإلكترونات والبروتونات التي ينتجها القطب الموجب عبر الغشاء إلى الكاثود ، حيث يتم اختزالها لإنتاج غاز الهيدروجين.يظهر مبدأ المحلل الكهربائي PEM في الشكل.

عادةً ما تُستخدم الخلايا الإلكتروليتية PEM لإنتاج الهيدروجين على نطاق صغير ، مع أقصى إنتاج للهيدروجين يبلغ حوالي 30 نيوتن متر مكعب / ساعة واستهلاك طاقة يبلغ 174 كيلو وات.بالمقارنة مع الخلية القلوية ، فإن معدل إنتاج الهيدروجين الفعلي لخلية PEM يغطي تقريبًا النطاق الحدي الكامل.يمكن أن تعمل خلية PEM بكثافة تيار أعلى من الخلية القلوية ، حتى تصل إلى 1.6A / سم 2 ، وكفاءة التحليل الكهربائي هي 48٪ -65٪.نظرًا لأن فيلم البوليمر ليس مقاومًا لدرجة الحرارة العالية ، فإن درجة حرارة الخلية الإلكتروليتية غالبًا ما تكون أقل من 80 درجة مئوية.طور المحلل الكهربائي Hoeller تقنية محسّنة لسطح الخلية للمحلل الكهربائي الصغير PEM. يمكن تصميم الخلايا وفقًا للمتطلبات ، مما يقلل من كمية المعادن الثمينة ويزيد من ضغط التشغيل.الميزة الرئيسية للمحلل الكهربائي PEM هي أن إنتاج الهيدروجين يتغير بشكل متزامن تقريبًا مع الطاقة الموردة ، وهو مناسب لتغيير الطلب على الهيدروجين.تستجيب خلايا Hoeller لتغييرات تصنيف الحمل بنسبة 0-100٪ في ثوانٍ.تخضع تقنية Hoeller الحاصلة على براءة اختراع لاختبارات التحقق من الصحة ، وسيتم بناء منشأة الاختبار بحلول نهاية عام 2020.

يمكن أن يصل نقاء الهيدروجين الذي تنتجه خلايا PEM إلى 99.99٪ ، وهو أعلى من نقاوة الخلايا القلوية.بالإضافة إلى ذلك ، فإن نفاذية الغاز المنخفضة للغاية لغشاء البوليمر تقلل من خطر تكوين مخاليط قابلة للاشتعال ، مما يسمح للمحلل الكهربائي بالعمل بكثافة تيار منخفضة للغاية.يجب أن تكون موصلية الماء الموفر للمحلل الكهربائي أقل من 1S / سم.نظرًا لأن نقل البروتون عبر غشاء البوليمر يستجيب بسرعة لتقلبات الطاقة ، يمكن لخلايا PEM أن تعمل في أوضاع مختلفة لتزويد الطاقة.على الرغم من أن خلية PEM قد تم تسويقها ، إلا أن لها بعض العيوب ، خاصة التكلفة الاستثمارية العالية والتكلفة العالية لكل من الأقطاب الكهربائية الغشائية والمعادن الثمينة.بالإضافة إلى ذلك ، فإن عمر خدمة خلايا PEM أقصر من عمر الخلايا القلوية.في المستقبل ، يجب تحسين قدرة خلية PEM على إنتاج الهيدروجين بشكل كبير.