Gambaran Keseluruhan Pengeluaran Hidrogen PEM oleh Elektrolisis Air I

Gambaran keseluruhan tentang Pengeluaran Hidrogen PEM oleh Elektrolisis Air I

Hidrogen ialah pembawa tenaga yang bersih dan fleksibel yang boleh digunakan untuk membekalkan elektrik dan haba. Kenderaan bahan api hidrogen dan penjanaan kuasa pegun adalah teknologi pelepasan sifar. Hidrogen boleh dihasilkan kedua-duanya daripada bahan api fosil tradisional dan daripada sumber tenaga bebas karbon, yang kedua-duanya digunakan untuk menyimpan tenaga dan menyediakan pengurusan responsif untuk grid.

Pada masa ini hanya 4% hidrogen dihasilkan melalui elektrolisis, terutamanya menggunakan kaedah penyediaan kos rendah seperti pembentukan semula gas gas asli atau gas penapisan. Walau bagaimanapun, pada masa hadapan, sumber tenaga boleh diperbaharui (RES) akan menyumbang sebahagian besar tenaga elektrik yang dihasilkan. Elektrolisis dianggap sebagai cara paling bersih untuk menghasilkan hidrogen menggunakan tenaga boleh diperbaharui.

Aplikasi baru untuk elektrolisis adalah dalam sektor "kuasa ke gas". Hidrogen yang dihasilkan oleh elektroliser yang disambungkan kepada RES disuntik ke dalam rangkaian gas. Pendekatan ini membolehkan penggunaan saluran paip gas sebagai "tangki simpanan" yang besar dan mengelakkan pembinaan infrastruktur baharu. Jumlah hidrogen yang disuntik bergantung pada peraturan setiap negara. Isu ini boleh diselesaikan dengan metana, di mana hidrogen dan karbon monoksida/karbon dioksida ditukar kepada metana yang mampan. Hidrogen yang disimpan dalam infrastruktur gas asli boleh digunakan untuk pemanasan, pengangkutan atau ditukar semula kepada elektrik. Stesen mengisi bahan api dengan pengeluaran hidrogen di tapak adalah satu lagi aplikasi untuk elektroliser.

Kelebihan utama elektrolisis PEM berbanding elektrolisis alkali ialah keselamatan dan kebolehpercayaan yang lebih tinggi, kerana tiada elektrolit yang menghakis digunakan. Di samping itu, kemungkinan beroperasi pada perbezaan tekanan tinggi merentasi membran mengelakkan pemampatan oksigen. Oleh kerana membran pepejal dan nipis, elektrolisis PEM mempunyai pengangkutan ion yang lebih cepat daripada elektrolisis alkali. Elektrolit cecair mempunyai inersia yang lebih besar dari segi pengangkutan ion. Elektroliser beralkali bertindak balas dengan perlahan apabila elektrolisis dikendalikan dalam keadaan turun naik dan mengalami kesukaran untuk memulakan selepas penutupan. Di samping itu, teknologi ini boleh dikendalikan pada ketumpatan arus yang lebih tinggi daripada elektrolisis alkali.

Pemangkin
Bahan mulia yang mahal biasanya digunakan sebagai pemangkin dalam elektrolisis PEM. Palladium atau platinum pada katod untuk tindak balas evolusi hidrogen (HER) dan iridium atau ruthenium oksida pada anod untuk tindak balas evolusi oksigen (OER) paling biasa digunakan. IrO2 mempamerkan rintangan kakisan yang lebih tinggi daripada RuO2, tetapi ia menunjukkan aktiviti OER yang lemah. RuO2 berprestasi baik dalam julat overpotensi rendah, tetapi isu kestabilan menghalang aplikasi praktikal. Kestabilan RuO2 boleh dipertingkatkan sedikit dengan menggunakan larutan pepejal IrO2–RuO2 binari. Penggunaan saiz zarah kecil (2–3 nm) IrO2 boleh mengurangkan pemuatan logam mulia sambil mengekalkan prestasi yang serupa. Kekonduksian, aktiviti elektrokatalitik dan kestabilan adalah aspek yang mencabar bagi mangkin logam bukan mulia.

Membran Pertukaran Proton
Dalam elektrolisis PEM, membran asid perfluorosulfonik (PFSA) digunakan sebagai elektrolit pepejal. Sifat penting membran elektroliser PEM ialah silang silang rendah, keupayaan untuk bekerja pada suhu tinggi (>100°C) dan rintangan mekanikal yang tinggi. Crossover dalam PEMWE boleh merosakkan membran dan membawa kepada kegagalan tindanan. Tindak balas hidrogen dan oksigen adalah sangat eksotermik dan menyebabkan pemanasan tempatan, yang dari masa ke masa boleh merosakkan membran. Masalah ini amat penting apabila elektroliser beroperasi pada tekanan tinggi (sehingga 350 bar). Kemungkinan beroperasi pada tekanan tinggi membolehkan mengurangkan tenaga mekanikal yang diperlukan untuk tekanan gas.

Dalam aplikasi ini, tahap silang silang yang rendah diperlukan dan memerlukan ketebalan filem polimer yang sesuai. Satu lagi sifat mekanikal penting filem polimer ialah rintangan koyakan. Malah, semasa proses pemasangan tindanan, tegasan besar dijana, terutamanya antara tepi elektrod dan gasket. Sifat tegangan yang baik dan rintangan perambatan koyakan rendah adalah sifat utama membran polimer dalam elektrolisis membran pertukaran proton. Lazimnya, membran komposit atau bertetulang digunakan untuk beroperasi pada tekanan dan suhu tinggi. Elektrolisis PEM beroperasi pada suhu tinggi (>100°C), yang mengurangkan perubahan tenaga bebas Gibb dan meningkatkan kinetik tindak balas. Di samping itu, kos rendah mereka menjadikan mereka pilihan sebenar dan menarik untuk Elektrolisis PEM.