Работа генераторов водорода основана на электролизе воды с применением протообменной мембраны (ПОМ, или РЕМ от английского «proton exchange membrane»). Особенность такой технологии — отсутствие в конструкции щелочных элементов.
Применение РЕМ-генераторов в промышленности началось в 60-х годах прошлого века. Тогда компания General Electric разработала технологию, позволяющую исключить недостатки щелочного электролиза. С каждым годом количество таких установок растет, постепенно вытесняя привычный электролиз щелочного типа. Для водородной энергетики протообменные мембраны являются практически безальтернативным решением.
Протонообменная мембрана: преимущества при производстве водородной воды
Главный плюс технологии — эффективная работа даже при токе высокой плотности. Электролизер РЕМ за счет полимерного электролита может функционировать с использованием очень тонкой мембраны (в пределах 100-200 мкм), при этом сохраняя высокое давление. Результатом становятся незначительные омические потери, что связано преимущественно с прохождением через мембрану протонов. В ходе электрохимической реакции выделяется много водорода.
Твердая структура полимерной электролитной мембраны позволяет замедлять скорость прохождения частиц газа. Это залог получения хорошо очищенной воды.
Пользоваться оборудованием с протонообменной мембраной удобно — в сравнении с щелочным электролизером необходимость в техническом сервисе возникает значительно реже. Таким генератором воды можно пользоваться на протяжении 20 лет, не меняя клапаны, фитинги, навсегда забыв об использовании агрессивных химических соединений.
Другие преимущества при очистке воды:
- экономическая эффективность;
- безопасность применения;
- простота общей стационарной системы (для работы необходима вода и электричество);
- надежность используемого оборудования (за счет практически полного отсутствия коррозии);
- состав воды не имеет значения — происходит отделение водорода от вредных продуктов электролиза.
За счет того, что электролиз разворачивается внутри мембраны, можно использовать дистиллированную и очищенную в рамках технологии обратного осмоса воду.
Как твердый полимерный электролит влияет на протонную проводимость мембраны
Для производства протонообменной мембраны используют высокотехнологичные материалы, через структуру которых проникают ядра водородных атомов — твердые полимерные электролиты (от английского Solid Polymer Electrolyte — SPE). В основе таких веществ лежат полимерные функциональные группы, распадающиеся на катионы и анионы. Они начинают двигаться с высокой скоростью, обеспечивая анионную проводимость полимера.
Мембрана — фторуглеродный полимер, состоящий из функциональных сульфогрупп. Они выделяют во внешнюю среду электростатически связанные катионы с положительным зарядом, как и протоны водорода. Поскольку ионную проводимость ТПЭ обеспечивают движущиеся катионы, такие электролиты называются катионными, катионобменными.
Для электролиза воды, сопровождающегося выделением водорода и кислорода, фторуглеродные катионобменные мембраны стали настоящим прорывом.
Особенности процесса электролиза воды в твердом полимерном электролите
Главная задача протонообменной мембраны заключается в разделении реагентов и перенаправлении протонов. При этом блокируется прямой путь электронов через нее.
Анодная часть электролизера заполняется дистиллированной водой, которая по микроскопическим порам анода движется к границе раздела электрод-мембрана (PEM-SPE). Здесь вода подвергается электроокислению, в результате чего выделяется кислород, который покидает реакционную зону.
Тем временем продолжается движение протонов через структуру мембраны в направлении катода. Добравшись до него, протоны принимают участие в восстановительной реакции с выделением водорода в газообразном состоянии.
Преодолев барьер в виде протонообменной мембраны, протон берет от катода лишний электрон, что позволяет ему преобразоваться в атом водорода. Мгновенно соединившаяся пара атомов образует молекулу водорода, растворяющуюся в воде.
На кислород оказывается атмосферное давление, а водород, образующийся на катоде, подвергается давлению 30 бар — это предотвращает их смешивание.
За счет непроницаемости РЕМ-мембраны кислород не может проникнуть в катодное пространство. Так исключается риск получения взрывоопасной кислородно-водородной смеси. Также мембрана изолирует другие реагенты, такие как озон, хлор.
Чтобы процесс электролиза протекал более эффективно, на границу раздела электроды/ТПЭ катализаторов вводятся мелокодисперсная платина и оксид иридия (IV).
Производительность электролизеров, объединенных блоками, может достигать 15-20 Нм3/ч. Площадь активной поверхности ячеек составляет 600 кв. см. В одном модуле рабочего блока содержится около 100 ячеек.
Для увеличения мощности и расширения возможностей энергопотребления выше 1 МВт при производстве электролизеров с РЕМ-мембраной важно достижение:
- увеличения активной поверхности на элемент;
- усиления плотности тока с сохранением эффективности выше 83%;
- наращивания сборки ячеек.
От мощности электролиза зависит стоимость килловата — чем она выше, тем менее затратным становится процесс выделения водорода.