Proton exchange membrane (PEM) electrolytic water hydrogen production technology progress and economic analysis

Noong 1966, binuo ng General Electric Company ang water electrolytic cell batay sa konsepto ng proton conduction, gamit ang polymer membrane bilang electrolyte.Ang mga cell ng PEM ay na-komersyal ng General Electric noong 1978.Sa kasalukuyan, ang kumpanya ay gumagawa ng mas kaunting PEM cell, pangunahin dahil sa limitadong produksyon ng hydrogen, maikling buhay at mataas na gastos sa pamumuhunan.Ang PEM cell ay may bipolar na istraktura, at ang mga de-koryenteng koneksyon sa pagitan ng mga cell ay ginagawa sa pamamagitan ng mga bipolar plate, na gumaganap ng mahalagang papel sa paglabas ng mga nabuong gas.Ang anode, cathode, at grupo ng lamad ay bumubuo ng membrane electrode assembly (MEA). Ang elektrod ay karaniwang binubuo ng mga mahalagang metal tulad ng platinum o iridium.Sa anode, ang tubig ay na-oxidized upang makagawa ng oxygen, mga electron at proton.Sa cathode, ang oxygen, mga electron at proton na ginawa ng anode ay umiikot sa lamad patungo sa katod, kung saan sila ay nababawasan upang makagawa ng hydrogen gas.Ang prinsipyo ng PEM electrolyzer ay ipinapakita sa figure.

Ang mga electrolytic cell ng PEM ay karaniwang ginagamit para sa maliit na produksyon ng hydrogen, na may pinakamataas na produksyon ng hydrogen na humigit-kumulang 30Nm3/h at konsumo ng kuryente na 174kW.Kung ikukumpara sa alkaline cell, ang aktwal na rate ng produksyon ng hydrogen ng PEM cell ay halos sumasakop sa buong saklaw ng limitasyon.Ang PEM cell ay maaaring gumana sa A mas mataas na kasalukuyang density kaysa sa alkaline cell, kahit hanggang sa 1.6A/cm2, at ang electrolytic na kahusayan ay 48%-65%.Dahil ang polymer film ay hindi lumalaban sa mataas na temperatura, ang temperatura ng electrolytic cell ay madalas na mas mababa sa 80°C.Ang Hoeller electrolyzer ay nakabuo ng isang na-optimize na teknolohiya sa ibabaw ng cell para sa maliliit na PEM electrolyzer. Ang mga cell ay maaaring idisenyo ayon sa mga kinakailangan, binabawasan ang halaga ng mga mahalagang metal at pagtaas ng operating pressure.Ang pangunahing bentahe ng PEM electrolyzer ay ang produksyon ng hydrogen ay halos sabay-sabay na nagbabago sa ibinibigay na enerhiya, na angkop para sa pagbabago ng pangangailangan ng hydrogen.Ang mga Hoeller cell ay tumutugon sa 0-100% na pagbabago sa rating ng pagkarga sa loob ng ilang segundo.Ang patented na teknolohiya ng Hoeller ay sumasailalim sa mga pagsubok sa pagpapatunay, at ang pasilidad ng pagsubok ay itatayo sa katapusan ng 2020.

Ang kadalisayan ng hydrogen na ginawa ng mga PEM cell ay maaaring kasing taas ng 99.99%, na mas mataas kaysa sa alkaline na mga cell.Bilang karagdagan, ang napakababang gas permeability ng polymer membrane ay binabawasan ang panganib ng pagbuo ng mga nasusunog na mixtures, na nagpapahintulot sa electrolyzer na gumana sa napakababang kasalukuyang densidad.Ang conductivity ng tubig na ibinibigay sa electrolyzer ay dapat na mas mababa sa 1S/cm.Dahil ang transportasyon ng proton sa polymer membrane ay mabilis na tumutugon sa mga pagbabago sa kapangyarihan, ang mga PEM cell ay maaaring gumana sa iba't ibang mga mode ng supply ng kuryente.Kahit na ang PEM cell ay na-komersyal, mayroon itong ilang mga disadvantages, pangunahin ang mataas na gastos sa pamumuhunan at ang mataas na gastos ng parehong lamad at mahalagang mga electrodes batay sa metal.Bilang karagdagan, ang buhay ng serbisyo ng mga cell ng PEM ay mas maikli kaysa sa mga alkaline na selula.Sa hinaharap, ang kapasidad ng PEM cell upang makagawa ng hydrogen ay kailangang pagbutihin nang husto.