Обзор производства водорода PEM электролизом воды I

Обзор Производство водорода ПЭМ электролизом воды I

Водород — это чистый и гибкий энергоноситель, который можно использовать для производства электроэнергии и тепла. Транспортные средства, работающие на водороде, и стационарная энергетика — это технологии с нулевым уровнем выбросов. Водород можно производить как из традиционного ископаемого топлива, так и из безуглеродных источников энергии, которые используются для хранения энергии и обеспечения оперативного управления энергосистемой.

В настоящее время только 4% водорода производится электролизом, в основном с использованием недорогих методов подготовки, таких как газовый риформинг природного газа или нефтезаводского газа. Однако в будущем значительную часть производимой электроэнергии будут составлять возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Электролиз считается самым чистым способом производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии.

Новое применение электролизеров находится в секторе «энергия-газ». Водород, вырабатываемый электролизерами, подключенными к ВИЭ, закачивается в газовую сеть. Такой подход позволяет использовать газопроводы в качестве больших «резервуаров» и избежать строительства новой инфраструктуры. Количество впрыскиваемого водорода зависит от правил каждой страны. Эту проблему можно решить с помощью метанирования, при котором водород и окись/диоксид углерода преобразуются в устойчивый метан. Водород, хранящийся в инфраструктуре природного газа, может быть использован для отопления, транспорта или повторно преобразован в электричество. Заправочные станции с производством водорода на месте — еще одно применение электролизеров.

Основными преимуществами электролиза ПЭМ перед щелочным электролизом являются более высокая безопасность и надежность, поскольку не используется агрессивный электролит. Кроме того, возможность работы при высоких перепадах давления на мембране позволяет избежать сжатия кислорода. Благодаря прочным и тонким мембранам электролиз PEM обеспечивает более быстрый транспорт ионов, чем щелочной электролиз. Жидкие электролиты обладают большей инерционностью в отношении транспорта ионов. Щелочные электролизеры медленно реагируют, когда электролизер работает в нестабильных условиях, и испытывают трудности с запуском после выключения. Кроме того, технология может работать при более высоких плотностях тока, чем щелочные электролизеры.

Катализатор
В качестве электрокатализаторов при электролизе ПЭМ обычно используются дорогие благородные материалы. Чаще всего используются палладий или платина на катоде для реакции выделения водорода (HER) и оксид иридия или рутения на аноде для реакции выделения кислорода (OER). IrO2 обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем RuO2, но проявляет плохую активность ОЭР. RuO2 хорошо работает в диапазоне низких перенапряжений, но проблемы со стабильностью затрудняют практическое применение. Стабильность RuO2 можно немного улучшить, используя бинарные твердые растворы IrO2–RuO2. Использование IrO2 с небольшим размером частиц (2–3 нм) может снизить содержание благородного металла, сохраняя при этом аналогичные характеристики. Проводимость, электрокаталитическая активность и стабильность являются сложными аспектами катализаторов из неблагородных металлов.

Протонообменная мембрана
При электролизе ПЭМ в качестве твердых электролитов используются мембраны из перфторсульфоновой кислоты (PFSA). Важными свойствами электролизерных мембран ПЭМ являются низкий уровень кроссовера, способность работать при высоких температурах (>100°С) и высокая механическая стойкость. Пересечение в PEMWE может повредить мембрану и привести к выходу из строя стека. Реакция водорода и кислорода очень экзотермична и вызывает локальный нагрев, который со временем может повредить мембрану. Эта проблема особенно актуальна, когда электролизер работает при высоком давлении (до 350 бар). Возможность работы при высоком давлении позволяет снизить механическую энергию, необходимую для наддува газа.

В этих случаях необходим низкий уровень пересечения и требуется соответствующая толщина полимерной пленки. Еще одним важным механическим свойством полимерных пленок является сопротивление разрыву. Фактически, в процессе сборки пакета возникают большие напряжения, особенно между краями электродов и прокладками. Хорошие свойства на растяжение и низкое сопротивление разрыву являются ключевыми свойствами полимерных мембран в электролизерах с протонообменными мембранами. Обычно композитные или армированные мембраны используются для работы при высоких давлениях и температурах. Электролизеры PEM работают при высоких температурах (>100°C), что уменьшает изменение свободной энергии Гибба и улучшает кинетику реакции. Кроме того, их низкая стоимость делает их реальным и привлекательным вариантом для ПЭМ электролизеры.