El возобновляемый водород Эта технология незаметно вошла в европейскую энергетическую повестку дня как одна из основных стратегий сокращения выбросов и укрепления энергетической независимости. Но для того, чтобы это обещание оказалось конкурентоспособным по стоимости, технологии, которые его обеспечивают, и особенно технологии, которые его реализуют, имеют решающее значение. Электролизеры ПЭМИм необходимо совершить значительный рывок в повышении эффективности, долговечности и масштабируемости в промышленном масштабе.
И по сей день, протонно-обменные мембранные электролизеры Они представляют собой один из наиболее интересных вариантов адаптации к... ветровая и фотоэлектрическая энергия Благодаря быстрому отклику и способности получать водород высокой чистоты под высоким давлением, они имеют ряд недостатков. высокие затраты и ограниченный срок службыЭто стимулировало исследования в области новых материалов, конструкций многослойных систем, моделей деградации и передовых стратегий управления, позволяющих значительно повысить их эффективность.
Основы электролиза с использованием протонно-обменной мембраны и его преимущества перед другими технологиями.
Электролизер с протонно-обменной мембраной (PEM) основан на полимерная протонно-обменная мембрана который действует как твердый электролит и разделитель между анодом и катодом. При подаче постоянного тока вода поступает на анодную сторону, где разлагается в соответствии с реакцией окисления: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. протоны пересекают мембрануПри этом электроны отводятся через внешнюю цепь к катоду.
На катоде эти протоны рекомбинируют с электронами, поступающими по электрической проводке, образуя газообразный водород (4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂)Благодаря тому, что мембрана практически непроницаема для газов, водород и кислород идеально разделяются, что приводит к... высокочистый водородный газ практически не требуя дополнительных стадий очистки.
Одним из главных преимуществ технологии PEM является ее способность работать при высокие плотности тока (порядка нескольких А/см²), что значительно выше, чем у типичных щелочных электролизеров. Это обусловлено превосходной протонной проводимостью иономера PFSA мембраны и минимизация омических потерь благодаря очень малому расстоянию между электродами и очень компактной архитектуре ячейки.
Еще одним ключевым преимуществом является сверхбыстрый отклик В ответ на колебания напряжения в электросети электролизеры с протонно-обменной мембраной (PEM) могут увеличивать или уменьшать производство водорода за считанные секунды, что делает их идеальными для использования в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер или солнце. При избыточном производстве ячейка работает на полную мощность; при снижении производства оборудование плавно уменьшает потребление.
По сравнению с альтернативными технологиями, щелочные электролизеры Они остаются наиболее зрелым и экономичным вариантом для крупномасштабных применений, основанным на щелочном водном растворе (например, KOH), который переносит ионы OH⁻ между электродами. Обычно они работают при температуре от 70 до 90 °C, с никелевыми электродами и обеспечивают очень стабильную непрерывную работу, но демонстрируют... более медленное время откликаБолее крупное оборудование и более низкая чистота водорода без дополнительных систем фильтрации.
На противоположном полюсе находятся твердооксидные электролизеры (SOEC)Эти устройства работают при очень высоких температурах (700-1.000 °C) с использованием керамических электролитов. Благодаря электролизу с подогревом их термодинамическая эффективность превосходна, и они хорошо подходят для концентрированных солнечных электростанций и систем теплового аккумулирования, но их проблемы, связанные со стоимостью, сложностью и материалами. Высокие температуры остаются серьезным препятствием для массового развертывания.
Между этими двумя мирами возникает электролизеры с анионообменной мембраной (АЭМ)Эта все еще развивающаяся технология направлена на объединение преимуществ хладагентов на основе щелочных металлов (низкая стоимость, работа в щелочных средах) с компактной архитектурой типа PEM. В ней используется анионпроводящая полимерная мембрана, что позволяет использовать меньшее количество благородных металлов и открывает возможности для... более низкие затраты и более длительный срок службы когда они достигнут коммерческой зрелости.
Ключевые компоненты современного электролизера с протонно-обменной мембраной (PEM).
В случае PEMEL (Professional Employer Management Engineering) все вращается вокруг... протонно-обменная мембрана (ПЭМ)Обычно это иономер типа Nafion PFSA. Эта фольга физически разделяет газы, проводит протоны от анода к катоду и электрически изолирует оба электрода. Ее толщина, степень гидратации и внутренняя структура в значительной степени определяют ионное сопротивление и прохождение водорода или кислорода.
Главная проблема сегодня при работе с мембранами из ПФСА заключается в поиске баланса между высокая производительность, безопасность и долговечностьДля улучшения проводимости часто уменьшают толщину, но это увеличивает газопроницаемость и ускоряет деградацию. Все более распространенной стратегией является использование армированные мембраныгде иономер наносится на стабильный каркас (например, вспененный ПТФЭ), что обеспечивает хорошую проводимость и большую механическую прочность.
Параллельно разрабатываются мембраны на основе углеводородные полимеры например, SPEEK и другие материалы, как в виде сплошной пленки, так и в композитных структурах с волокнами или микропористыми подложками. Эти варианты могут обеспечить лучшую термическую и химическую стабильность при меньших затратах, при условии достижения значений протонной проводимости и долговечности, сопоставимых с коммерческими ПФСА.
катализаторы Это еще одно узкое место. В настоящее время стандарт PEMEL включает платину на углеродной подложке (Pt/C) для реакции выделения водорода на катоде и иридиевую чернь или оксид иридия (Ir, IrOx) для реакции выделения кислорода на аноде. Эти металлы платиновой группы обладают превосходной электрохимической активностью, но они дороги и дефицитны, особенно иридий.
Для решения проблемы поставок и стоимости производители и исследовательские центры работают над следующими задачами: снизить нагрузку на Iridium на кВт а также для разработки более эффективных катализаторов на подложке. Изучаются смешанные оксиды, такие как IrRuOx, наноструктурированные катализаторы с большей активной поверхностью, а также альтернативы на основе оксидов, сульфидов или нитридов переходных металлов, которые могут сохранять свои характеристики при использовании менее благородных металлов.
Ключевое значение имеет способ интеграции этих катализаторов в структуру. Каталитические чернила (смесь каталитических частиц и иономера PFSA) используются для производства того, что известно как... мембрана с каталитическим покрытием (CCM)Это центральный компонент мембранно-электродного блока (МЭБ). Толщина слоя, однородность, пористость и распределение иономера определяют доступность активных центров и одновременный транспорт протонов, электронов, воды и газов.
Лас- Газодиффузионные слои (ГДЛ) или пористые транспортные слои (ПТС) МЭА изготавливается с обеих сторон. В качестве катода обычно используется углеродная бумага с углеродными волокнами, ПТФЭ и сажа, которая распределяет воду, удаляет водород и проводит электроны. В качестве анода используется титановый войлок, покрытый очень тонкой пленкой платины, что обеспечивает высокую проводимость и коррозионную стойкость в сильно окислительной среде.
В состав конструктивной части входит биполярные пластиныЭти пластины, разделяющие ячейки топливного элемента, проводят ток от одной ячейки к другой и содержат каналы, по которым циркулируют вода и газы. Компания PEMEL не использует традиционный графит, применяемый в топливных элементах; вместо этого она использует титановые пластины, покрытые золотом и платиной, на поверхностях, контактирующих с электрохимической средой, для ограничения коррозии и контактного сопротивления.
Очень незаметный, но важный элемент — это прокладки и уплотнительные материалыЭти листы или ленты (EPDM, FKM, PTFE, силикон и т. д.) обеспечивают удержание воды, водорода и кислорода внутри контуров, предотвращая утечки или нежелательные примеси. Их конструкция точно адаптирована к биполярным пластинам, и значительные инновации были вложены в оптимизацию составов и производственных процессов, в результате чего были созданы прочные, герметичные уплотнения, которые легко интегрируются в автоматизированные линии.
Научно-исследовательские проекты по усовершенствованию электролизеров с протонно-обменной мембраной: HEDERA и SMARTH2PEM.
В Испании несколько ведущих проектов напрямую сосредоточены на этом. улучшение электролизеров с протонно-обменной мембраной для ускорения развития экономики зеленого водорода. Среди них HEDERA и SMARTH2PEM, продвигаемые технологическими институтами, такими как ITE, AIDIMME и AIJU, при поддержке научно-исследовательских программ IVACE+i и софинансировании из Европейского фонда регионального развития (ERDF).
В рамках проекта ХЕДЕРА Он был разработан с акцентом на более дешевый и долговечный возобновляемый водород, способный к бесшовной интеграции в реальные промышленные системы. Он основан на четком диагнозе: существующие протонно-обменные мембраны обеспечивают водород высокой чистоты и хорошо подходят для возобновляемых источников энергии, но их высокая стоимость и преждевременная деградация остаются существенными препятствиями для широкого внедрения.
Для решения этих проблем HEDERA сосредотачивает свои усилия на развитии новые электроды PEM Это достигается с помощью каталитических чернил, наносимых с использованием передовых технологий нанесения покрытий. Цель состоит в получении активных слоев с повышенной эффективностью, большей экологичностью (меньшая зависимость от драгоценных металлов) и сниженной деградацией, что повышает как производительность, так и срок службы системы.
Параллельно консорциум разрабатывает модель прогнозирования деградации Эта модель позволит прогнозировать фактический износ оборудования в условиях эксплуатации возобновляемых источников энергии: частые запуски и остановки, колебания нагрузки, облачность в фотоэлектрических системах, резкие изменения ветра и т. д. С помощью этой модели можно разработать интеллектуальные стратегии управления для продления срока службы топливного элемента и снижения стоимости производимого водорода.
Технологический институт энергетики (ITE) принимает на себя следующие обязанности: изготовление и тщательная характеристика новых электродов в своих лабораториях, подвергая их испытаниям в стандартных и стрессовых условиях. Компания Laurentia Technologies вносит свой вклад, используя свои знания в области передовых материалов для разработки и проверки более эффективных и экологически устойчивых катализаторов, а компания Galesa предлагает реальный пример промышленного примененияПроизводство водорода на месте с использованием излишков фотоэлектрической энергии для непосредственного применения в печах, частично замещающее природный газ.
Linkener замыкает круг, содействуя реальные кривые выработки и потребления фотоэлектрической энергии для потребителей, использующих собственные ресурсы. На основе этих данных характеризуются типичные переходные процессы (облачность, рассвет, закат, запуск, остановки), влияющие на деградацию топливных элементов, и оценивается технико-экономическая целесообразность производства водорода с избыточной энергией для различных профилей потребителей, даже с учетом расширения фотоэлектрической энергетики.
Ожидаемые результаты проекта HEDERA соответствуют демонстрационному уровню в соответствующих условиях: Усовершенствованные электроды PEM, проверенная модель деградации., алгоритм оптимизации, интегрированный в цифровую модель установки, и несколько сценариев эксплуатации, оцененных на пилотной водородной установке ITE, которая объединяет производство (PEM и щелочное), хранение и потребление в топливных элементах.
Со своей стороны, проект SMARTH2PEM Компания занимается разработкой маломощного (около 1 кВт) электролизера с протонообменной мембраной, но с конкурентоспособная цена и высокая производительность: водород чистотой 99,99% и давлением более 15 бар. Идея заключается в создании модульного устройства, которое можно интегрировать в интеллектуальные энергосети вместе с возобновляемыми источниками энергии, используя избыточное производство и возвращая энергию при высоком спросе.
Для достижения этой цели SMARTH2PEM построена на двух основных принципах: сокращение стоимость ключевых компонентов (мембраны, биполярные пластины и электрокатализаторы) без потери эффективности, и оптимизированная конструкция каждого компонента и полный комплекс решений для обеспечения безопасной и эффективной работы. Все это с целью предложить надежную и конкурентоспособную систему по сравнению с существующими технологиями.
AIDIMME, AIJU и ITE сталкиваются с основными технологическими проблемами. Одна из них — это разработка новых полимерных мембран Эти мембраны адаптированы для работы под высоким давлением, обладают высокой ионообменной способностью и хорошей механической прочностью. Например, проводились работы с мембранами на основе SPEEK, в ходе которых корректировались параметры синтеза и изучались их проводимость, водопоглощение, химическая стабильность и термические свойства.
Другой ключевой блок — это производство современных электродов Для мембранно-электродного блока (МЭБ) были изготовлены электроды для обоих отсеков: катоды с платиной в качестве катализатора и аноды с оксидом иридия, нанесенным электрохимическими методами на подложки из углеродной бумаги (катодная сторона) и платинированные титановые сетки (анодная сторона). Микроскопический анализ показывает хорошее распределение катализатора, хотя ведутся работы по поиску подложек с большей площадью поверхности для максимизации активной площади.
Также ведутся исследования новых видов. электрокатализаторы с лучшей дисперсией и однородным распределением уменьшение количества активных центров, снижение размера частиц для уменьшения каталитической нагрузки без ущерба для эффективности. Это включает в себя регулирование сродства между электродом и мембраной, содержания иономера в электроде и пористости подложки, чтобы одновременно увеличить ионную и электронную проводимость по всему слою.
Что же касается биполярные пластиныВ рамках проекта исследуются альтернативные методы коррозионной стойкости недорогих материалов с целью частичной замены цельного титана гибридными решениями (стали с покрытием, комбинации сплавов и т. д.), которые позволяют снизить стоимость стека без ущерба для стабильности работы.
Проект SMARTH2PEM также включает разработку система нанесения покрытия на пластины с помощью передовых технологий, таких как PVD или другие процессы осаждения, чтобы сократить использование драгоценных металлов и увеличить срок службы в условиях давления, температуры и окислительной среды, характерных для протонно-обменных мембран.
Конструкция многоячеечной и одноячеечной структуры была оптимизирована с использованием инструментов из моделирование динамики жидкости, конструкций и тепловых процессов.Для проверки работы отдельной ячейки, определения характеристик электродов и мембран, а также сравнения разработанных решений с коммерческими эталонными элементами был создан специальный испытательный стенд.
Параллельно с этим проект включает в себя следующее: интеллектуальная система управления Этот прибор обеспечивает безопасное и эффективное управление производством водорода, имитируя условия эксплуатации, связанные с возобновляемыми источниками энергии. Идея заключается в том, что финальный прототип может быть легко интегрирован в интеллектуальные энергосети, что сделает электролизер ключевым компонентом систем хранения энергии на основе водорода.
Интеграция электролизеров с протонообменной мембраной (PEM) с возобновляемыми источниками энергии и специфические области применения.
Главное преимущество технологии PEM заключается в ее способности практически идеально подходить к различным поверхностям. переменные возобновляемые источники энергииБлагодаря быстрому отклику и способности работать в широком диапазоне нагрузок, эти системы поглощают избыточную энергию, вырабатываемую фотоэлектрическими или ветровыми электростанциями, и преобразуют ее в водород, пригодный для хранения.
В приложениях хранилище энергииПолученный водород затем можно использовать в топливных элементах, модифицированных турбинах или закачивать в газовые сети, обеспечивая гибкость электросети. Такие проекты, как проект компании Galesa, в рамках которого анализируется прямое использование водорода из излишков фотоэлектрических панелей в промышленных печах, демонстрируют потенциал этой интеграции для постепенной замены природного газа в интенсивных тепловых процессах.
В области мобильность с водородомЭлектролизеры с протонообменной мембраной (PEM) играют ключевую роль в обеспечении заправочных станций высокочистым водородом для автомобилей на топливных элементах, поездов, большегрузных автомобилей и специальных применений (военная, аэрокосмическая, междугородние перевозки). Высокое выходное давление и чистота газа значительно упрощают процесс сжатия, хранения и цепочки поставок.
Технология PEM также находит свою нишу в классические промышленные секторагде водород является важнейшим сырьем: нефтепереработка, производство аммиака, синтез метанола или переработка металлов. По мере ужесточения требований к декарбонизации замена «серого» водорода на «зеленый» водород, производимый электролизом, станет ключевым фактором конкурентоспособности и соответствия нормативным требованиям.
С точки зрения рынка, ожидается, что спрос на комплектующие для электролизеров Ожидается, что рынок таких материалов, как мембраны, катализаторы, газодиффузионные слои, биполярные пластины и прокладки, резко вырастет в ближайшие годы, достигнув десятков миллиардов долларов в мировом масштабе, если планы по внедрению «зеленого» водорода будут реализованы. Это открывает широкий спектр возможностей для производителей материалов, поставщиков оборудования и инженерных компаний.
Чтобы воспользоваться этой возможностью, не столкнувшись с ограничениями, вызванными дефицитом таких ресурсов, как иридий, большая часть усилий будет сосредоточена на Инновации в области мембранных композитных материалов и катализаторов с низким зарядом.Передовые покрытия и модульные архитектуры многослойных конструкций. Внедрение непрерывных рулонных процессов для производства углеродно-волоконных материалов и мембран, а также высокоточных технологий нанесения покрытий станет ключевым фактором снижения затрат и обеспечения стабильной производительности в больших масштабах.
В этом контексте рассматривается работа технологических институтов и компаний, которые уже занимаются разработкой... Электролизеры PEM следующего поколенияМодели деградации и интеллектуальные системы управления представляют собой шаг вперед в позиционировании компании на рынке, который, судя по всему, будет очень активно расти в течение следующего десятилетия.
Вся эта активность вокруг электролизеров с протонообменной мембраной (PEM) создает картину, в которой сочетание передовых материалов, оптимизированной конструкции свай, цифровой интеграции и прогностических моделей позволит создать более эффективное оборудование. надежный, эффективный и доступныйПо мере того, как эти усовершенствования закрепляются и переходят из лабораторий и пилотных проектов в коммерческое применение, производство «зеленого» водорода будет становиться все более конкурентоспособным и надежным, способствуя превращению этого энергетического вектора из многообещающего проекта в реальную основу европейского энергетического перехода.