Overzicht van PEM-waterstofproductie door waterelektrolyse I

Overzicht van PEM-waterstofproductie door waterelektrolyse I

Waterstof is een schone en flexibele energiedrager waarmee elektriciteit en warmte kan worden opgewekt. Voertuigen op waterstof en stationaire energieopwekking zijn emissievrije technologieën. Waterstof kan zowel uit traditionele fossiele brandstoffen als uit koolstofvrije energiebronnen worden geproduceerd, die beide worden gebruikt om energie op te slaan en te zorgen voor responsief beheer van het elektriciteitsnet.

Momenteel wordt slechts 4% van de waterstof geproduceerd door elektrolyse, waarbij voornamelijk gebruik wordt gemaakt van goedkope bereidingsmethoden zoals gasreforming van aardgas of raffinaderijgas. In de toekomst zullen hernieuwbare energiebronnen (HEB) echter een aanzienlijk deel van de geproduceerde elektriciteit voor hun rekening nemen. Elektrolyse wordt beschouwd als de schoonste manier om waterstof te produceren met behulp van hernieuwbare energie.

Een opkomende toepassing voor elektrolysers bevindt zich in de ‘power to gas’-sector. Waterstof geproduceerd door elektrolysers aangesloten op hernieuwbare energiebronnen wordt in het gasnetwerk geïnjecteerd. Deze aanpak maakt het mogelijk gaspijpleidingen te gebruiken als grote “opslagtanks” en vermijdt de aanleg van nieuwe infrastructuur. De hoeveelheid geïnjecteerde waterstof is afhankelijk van de regelgeving van elk land. Dit probleem kan worden opgelost door methanisering, waarbij waterstof en koolmonoxide/koolstofdioxide worden omgezet in duurzaam methaan. De waterstof die is opgeslagen in de aardgasinfrastructuur kan worden gebruikt voor verwarming, transport of weer worden omgezet in elektriciteit. Tankstations met waterstofproductie ter plaatse zijn een andere toepassing voor elektrolysers.

De belangrijkste voordelen van PEM-elektrolyse ten opzichte van alkalische elektrolyse zijn een hogere veiligheid en betrouwbaarheid, omdat er geen corrosief elektrolyt wordt gebruikt. Bovendien vermijdt de mogelijkheid om bij hoge drukverschillen over het membraan te werken zuurstofcompressie. Door de stevige en dunne membranen heeft PEM-elektrolyse een sneller ionentransport dan alkalische elektrolyse. Vloeibare elektrolyten hebben een grotere traagheid wat betreft ionentransport. Alkalische elektrolysers reageren langzaam wanneer de elektrolyser onder wisselende omstandigheden wordt gebruikt en hebben moeite met opstarten na uitschakeling. Bovendien kan de technologie worden gebruikt bij hogere stroomdichtheden dan alkalische elektrolyseapparaten.

Katalysator
Dure edelmaterialen worden meestal gebruikt als elektrokatalysatoren bij PEM-elektrolyse. Palladium of platina aan de kathode voor waterstofontwikkelingsreactie (HER) en iridium of rutheniumoxide aan de anode voor zuurstofontwikkelingsreactie (OER) worden het meest gebruikt. IrO2 vertoont een hogere corrosieweerstand dan RuO2, maar vertoont een slechte OER-activiteit. RuO2 presteert goed in het lage overpotentiaalbereik, maar stabiliteitsproblemen belemmeren praktische toepassingen. De stabiliteit van RuO2 kan enigszins worden verbeterd door binaire vaste IrO2-RuO2-oplossingen te gebruiken. Het gebruik van IrO2 met een kleine deeltjesgrootte (2-3 nm) kan de edelmetaalbelasting verminderen, terwijl vergelijkbare prestaties behouden blijven. Geleidbaarheid, elektrokatalytische activiteit en stabiliteit zijn uitdagende aspecten van niet-edelmetaalkatalysatoren.

Protonenuitwisselingsmembraan
Bij PEM-elektrolyse worden perfluorsulfonzuurmembranen (PFSA) gebruikt als vaste elektrolyten. Belangrijke eigenschappen van PEM-elektrolysemembranen zijn een lage crossover, het vermogen om bij hoge temperaturen (>100°C) te werken en een hoge mechanische weerstand. Crossover in PEMWE kan het membraan beschadigen en leiden tot stapelfalen. De reactie van waterstof en zuurstof is zeer exotherm en veroorzaakt plaatselijke verwarming, die na verloop van tijd het membraan kan beschadigen. Dit probleem is vooral belangrijk wanneer de elektrolyser onder hoge druk werkt (tot 350 bar). De mogelijkheid om bij hoge druk te werken maakt het mogelijk om de mechanische energie die nodig is voor het onder druk zetten van gas te verminderen.

Bij deze toepassingen is een laag niveau van crossover noodzakelijk en is een geschikte polymeerfilmdikte vereist. Een andere belangrijke mechanische eigenschap van polymeerfilms is scheurweerstand. Tijdens het assemblageproces van de stapel worden namelijk grote spanningen gegenereerd, vooral tussen de elektroderanden en de pakkingen. Goede trekeigenschappen en lage weerstand tegen scheurvoortplanting zijn sleuteleigenschappen van polymeermembranen in elektrolysatoren met protonenuitwisselingsmembraan. Meestal worden composiet- of versterkte membranen gebruikt om bij hoge drukken en temperaturen te werken. PEM-elektrolyseapparaten werken bij hoge temperaturen (>100°C), wat de verandering in de vrije energie van Gibb vermindert en de reactiekinetiek verbetert. Bovendien maken hun lage kosten ze tot een reële en aantrekkelijke optie PEM-elektrolysatoren.