Proton exchange membrane (PEM) kemajuan teknologi produksi hidrogen air elektrolitik dan analisis ekonomi

Pada tahun 1966, General Electric Company mengembangkan sel elektrolisis air berdasarkan konsep konduksi proton, menggunakan membran polimer sebagai elektrolit.Sel PEM dikomersialkan oleh General Electric pada tahun 1978.Saat ini, perusahaan memproduksi lebih sedikit sel PEM, terutama karena produksi hidrogen yang terbatas, masa pakai yang pendek, dan biaya investasi yang tinggi.Sel PEM memiliki struktur bipolar, dan sambungan listrik antar sel dibuat melalui pelat bipolar, yang memainkan peran penting dalam mengeluarkan gas yang dihasilkan.Kelompok anoda, katoda, dan membran membentuk perakitan elektroda membran (MEA). Elektroda biasanya terdiri dari logam mulia seperti platinum atau iridium.Di anoda, air dioksidasi untuk menghasilkan oksigen, elektron, dan proton.Di katoda, oksigen, elektron, dan proton yang dihasilkan oleh anoda beredar melalui membran ke katoda, di mana mereka direduksi untuk menghasilkan gas hidrogen.Prinsip elektroliser PEM ditunjukkan pada gambar.

Sel elektrolisis PEM biasanya digunakan untuk produksi hidrogen skala kecil, dengan produksi hidrogen maksimum sekitar 30Nm3/jam dan konsumsi daya 174kW.Dibandingkan dengan sel alkaline, laju produksi hidrogen sebenarnya dari sel PEM hampir mencakup seluruh rentang batas.Sel PEM dapat bekerja pada kerapatan arus yang lebih tinggi daripada sel alkaline, bahkan hingga 1,6A/cm2, dan efisiensi elektrolitiknya adalah 48%-65%.Karena film polimer tidak tahan terhadap suhu tinggi, suhu sel elektrolit sering di bawah 80°C.Pengelektrolisis Hoeller telah mengembangkan teknologi permukaan sel yang dioptimalkan untuk pengelektrolisis PEM kecil. Sel dapat dirancang sesuai kebutuhan, mengurangi jumlah logam mulia dan meningkatkan tekanan pengoperasian.Keuntungan utama dari elektroliser PEM adalah bahwa produksi hidrogen berubah hampir serempak dengan energi yang disediakan, yang cocok untuk perubahan permintaan hidrogen.Sel Hoeller merespons perubahan peringkat beban 0-100% dalam hitungan detik.Teknologi yang dipatenkan Hoeller sedang menjalani uji validasi, dan fasilitas uji akan dibangun pada akhir tahun 2020.

Kemurnian hidrogen yang dihasilkan oleh sel PEM bisa mencapai 99,99%, lebih tinggi dari sel alkalin.Selain itu, permeabilitas gas yang sangat rendah dari membran polimer mengurangi risiko pembentukan campuran yang mudah terbakar, memungkinkan pengelektrolisis beroperasi pada kepadatan arus yang sangat rendah.Konduktivitas air yang disuplai ke pengelektrolisis harus kurang dari 1S/cm.Karena transpor proton melintasi membran polimer merespons fluktuasi daya dengan cepat, sel PEM dapat beroperasi dalam mode catu daya yang berbeda.Meskipun sel PEM telah dikomersialkan, ia memiliki beberapa kelemahan, terutama biaya investasi yang tinggi dan tingginya biaya elektroda berbasis membran dan logam mulia.Selain itu, masa pakai sel PEM lebih pendek dibandingkan dengan sel alkaline.Di masa mendatang, kapasitas sel PEM untuk menghasilkan hidrogen perlu ditingkatkan secara besar-besaran.