نظرة عامة على إنتاج الهيدروجين PEM بواسطة التحليل الكهربائي للمياه I

نظرة عامة على إنتاج الهيدروجين PEM بواسطة التحليل الكهربائي للماء I

الهيدروجين هو ناقل طاقة نظيف ومرن يمكن استخدامه لتوفير الكهرباء والحرارة. المركبات التي تعمل بوقود الهيدروجين وتوليد الطاقة الثابتة هي تقنيات خالية من الانبعاثات. يمكن إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري التقليدي ومن مصادر الطاقة الخالية من الكربون، وكلاهما يستخدم لتخزين الطاقة وتوفير إدارة سريعة الاستجابة للشبكة.

حاليًا، يتم إنتاج 4% فقط من الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي، وذلك باستخدام طرق تحضير منخفضة التكلفة بشكل أساسي مثل إعادة تشكيل الغاز للغاز الطبيعي أو غاز التكرير. ومع ذلك، في المستقبل، ستشكل مصادر الطاقة المتجددة جزءًا كبيرًا من الكهرباء المنتجة. يعتبر التحليل الكهربائي أنظف طريقة لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة المتجددة.

أحد التطبيقات الناشئة للمحللات الكهربائية موجود في قطاع "تحويل الطاقة إلى الغاز". يتم حقن الهيدروجين الناتج عن المحللات الكهربائية المتصلة بمصادر الطاقة المتجددة في شبكة الغاز. ويسمح هذا النهج باستخدام خطوط أنابيب الغاز باعتبارها "صهاريج تخزين" كبيرة ويتجنب بناء بنية تحتية جديدة. تعتمد كمية الهيدروجين المحقون على اللوائح الخاصة بكل بلد. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق الميثان، حيث يتم تحويل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون/ثاني أكسيد الكربون إلى غاز ميثان مستدام. يمكن استخدام الهيدروجين المخزن في البنية التحتية للغاز الطبيعي للتدفئة أو النقل أو إعادة تحويله إلى كهرباء. تعد محطات التزود بالوقود التي تنتج الهيدروجين في الموقع تطبيقًا آخر للمحلل الكهربائي.

تتمثل المزايا الرئيسية للتحليل الكهربائي PEM مقارنة بالتحليل الكهربائي القلوي في زيادة الأمان والموثوقية، نظرًا لعدم استخدام أي إلكتروليت مسبب للتآكل. بالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانية التشغيل عند اختلافات الضغط العالية عبر الغشاء تتجنب ضغط الأكسجين. نظرًا للأغشية الصلبة والرقيقة، يتمتع التحليل الكهربائي PEM بنقل أيوني أسرع من التحليل الكهربائي القلوي. تتمتع الإلكتروليتات السائلة بقصور ذاتي أكبر من حيث النقل الأيوني. تتفاعل المحللات الكهربائية القلوية ببطء عندما يتم تشغيل المحلل الكهربائي في ظل ظروف متقلبة وتواجه صعوبة في بدء التشغيل بعد إيقاف التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تشغيل هذه التقنية بكثافة تيار أعلى من المحلل الكهربائي القلوي.

عامل حفاز
عادة ما تستخدم المواد النبيلة باهظة الثمن كمحفزات كهربائية في التحليل الكهربائي PEM. البلاديوم أو البلاتين عند الكاثود لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) والإيريديوم أو أكسيد الروثينيوم عند الأنود لتفاعل تطور الأكسجين (OER) هي الأكثر استخدامًا. يُظهر IrO2 مقاومة أعلى للتآكل من RuO2، لكنه يُظهر نشاطًا ضعيفًا للموارد التعليمية المفتوحة. يعمل RuO2 بشكل جيد في نطاق الجهد الزائد المنخفض، لكن مشكلات الاستقرار تعيق التطبيقات العملية. يمكن تحسين استقرار RuO2 قليلاً باستخدام المحاليل الصلبة الثنائية IrO2 –RuO2. يمكن أن يؤدي استخدام حجم الجسيمات الصغيرة (2-3 نانومتر) IrO2 إلى تقليل تحميل المعدن النبيل مع الحفاظ على أداء مماثل. تعد الموصلية ونشاط التحفيز الكهربائي والاستقرار من الجوانب الصعبة للمحفزات المعدنية غير النبيلة.

غشاء تبادل البروتون
في التحليل الكهربائي PEM، يتم استخدام أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك (PFSA) كشوارد صلبة. الخصائص المهمة لأغشية المحلل الكهربائي PEM هي التقاطع المنخفض، والقدرة على العمل في درجات حرارة عالية (> 100 درجة مئوية) والمقاومة الميكانيكية العالية. يمكن أن يؤدي التقاطع في PEMWE إلى إتلاف الغشاء ويؤدي إلى فشل المكدس. تفاعل الهيدروجين والأكسجين طارد للحرارة للغاية ويسبب تسخينًا موضعيًا، مما قد يؤدي بمرور الوقت إلى تلف الغشاء. هذه المشكلة مهمة بشكل خاص عندما يعمل المحلل الكهربائي عند ضغط مرتفع (يصل إلى 350 بار). تتيح إمكانية التشغيل تحت ضغط مرتفع تقليل الطاقة الميكانيكية اللازمة لضغط الغاز.

في هذه التطبيقات، يكون مستوى التقاطع المنخفض ضروريًا ويتطلب سمك فيلم بوليمر مناسب. خاصية ميكانيكية مهمة أخرى لأفلام البوليمر هي مقاومة التمزق. في الواقع، أثناء عملية تجميع المكدس، يتم توليد ضغوط كبيرة، خاصة بين حواف القطب الكهربائي والحشيات. تعد خصائص الشد الجيدة ومقاومة انتشار التمزق المنخفضة من الخصائص الرئيسية لأغشية البوليمر في المحلل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون. عادة، يتم استخدام الأغشية المركبة أو المعززة للعمل تحت ضغوط ودرجات حرارة عالية. تعمل المحللات الكهربائية PEM عند درجات حرارة عالية (> 100 درجة مئوية)، مما يقلل من تغير الطاقة الحرة لـ Gibb ويحسن حركية التفاعل. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكلفتها المنخفضة تجعلها خيارًا حقيقيًا وجذابًا المحلل الكهربائي PEM.