PEM-elektrolysaattori tai polymeerielektrolyyttikalvo-elektrolysaattori (Proton Exchange Membrane Electrolyzer) on tyyppi vetyelektrolyysilaitteesta, joka tuottaa vetyä vedestä käyttäen sähkövirtaa. PEM-elektrolysaattori on suunniteltu tuottamaan korkean puhtausasteen vetyä.
Vetyelektrolysaattorin konteksti
Vetyelektrolysaattori on laite, joka käyttää sähköä veden jakamiseen vedyksi ja hapeksi elektrolyysiksi tunnetun järjestelmän kautta. Prosessissa syntyy vetykaasua, ja jäljelle jäänyt happi joko vapautuu ympäristöön tai kerätään ja varastoidaan toimittamaan muita teollisia toimintoja tai lääkekaasuja. Koska vety on energian kantaja, sitä voidaan käyttää minkä tahansa vetypolttokenno-sähkösovelluksen, kuten kuorma-autojen, junien, linja-autojen tai datakeskusten, virtalähteenä, ja sitä voidaan varastoida painekaasuna tai nesteytettynä.
Elektrolysaattori koostuu yksinkertaisimmassa muodossaan anodista (positiivinen varaus), katodista (negatiivinen varaus) ja kalvosta. Järjestelmään kuuluvat myös pumput, tuuletusaukot, varastosäiliöt, virtalähde, erotin ja muut komponentit. Veden elektrolyysi on sähkökemiallinen prosessi, joka tapahtuu solupinoissa. Sähkö toimitetaan protoninvaihtokalvon (PEM) läpi anodille ja katodille, jolloin vesi hajoaa komponentimolekyyleihinsä.
Elektrolysaattorit luokitellaan kolmeen tyyppiin: protoninvaihtokalvo (PEM), alkalinen ja kiinteä oksidi. Elektrolyyttimateriaalista riippuen nämä erilaiset elektrolysaattorit toimivat hieman eri tavoin. Sekä alkaliset että PEM-elektrolysaattorit voivat tuottaa paikan päällä ja tilauksesta vetyä, paineistettua vetyä ja hiiletöntä vetyä.
Halvempien ja tehokkaampien elektrolyysilaitteiden kehittäminen mahdollistaa vihreän vedyn kasvun, mikä muuttaa sen kustannustehokkaimmaksi puhtaan vedyn syöttövaihtoehdoksi moniin uusiin sovelluksiin.
PEM-elektrolyysin perusperiaate perustuu veden jakautumiseen vedeksi ja happeeksi sähkövirran avulla. Se tapahtuu seuraavasti:
- Elektrolyysikammio: PEM-elektrolyysilaitteessa on kaksi kammioa, jotka on erotettu polymeerielektrolyyttikalvolla. Tähän kalvoon on kiinnitetty katalyyttejä, jotka auttavat kemiallisen reaktion tapahtumista.
- Veden syöttö ja ionien kulku: Kun vettä syötetään laitteen anodille (positiivinen elektrodi), kalvon katalyytti hajottaa veden happiatomeiksi ja vetyioneiksi (protonit). Näitä vetyioneja autetaan sitten siirtymään kalvon läpi kohti katodia (negatiivinen elektrodi).
- Kaasujen muodostuminen: Anodilla muodostunut happi kerätään talteen ja sitä voidaan käyttää eri tarkoituksiin. Katodilla, vetyionit yhdistyvät elektronien kanssa muodostaen vetykaasua, joka voidaan myös kerätä talteen.
PEM-elektrolyysissä on useita etuja verrattuna muihin vetyelektrolyysimenetelmiin, kuten alkaliseen elektrolyysiin. Nämä edut sisältävät korkeamman hyötysuhteen, kyvyn toimia suuremmilla virtatiheyksillä, ja kyvyn nopeasti reagoida kuorman muutoksiin (joten se sopii hyvin uusiutuvien energialähteiden, kuten tuuli- tai aurinkoenergian, kanssa). Lisäksi PEM-elektrolysaattorilla tuotettu vety on erittäin puhdasta, joka on hyödyllistä sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeaa puhtausastetta.
Käyttökohteet vetyelektrolysaattoreille:
Elektrolysaattorien tuottamaa vetyä voidaan käyttää:
- Polttokennokäyttöiset sähköajoneuvot, kuten linja-autot, junat ja autot.
- Rikin poistaminen fossiilisista polttoaineista jalostamoissa (hydro-rikinpoisto).
- Tuota vihreitä kemikaaleja, kuten metanolia, lannoitteita (ammoniakki) ja mitä tahansa muuta nestemäistä polttoainetta
- Tuottaa lentopolttoainetta raketteihin.
- Tuottaa vetyperoksidia (klinikoissa ja sairaaloissa käytetty rutiini sterilointiaine)
- Toimii kantokaasuna (kaasuna, joka kuljettaa aktiivisia kaasuja) erilaisiin sovelluksiin, kuten elektronisten komponenttien valmistukseen.
- Ottaa kaupallisesti metalleja malmeistaan.
Käänteinen polttokenno, PEM läpinäkyvä
Käänteinen PEM-polttokenno yhdistää elektrolysaattorin ja polttokennon toiminnot YHDEKSI laitteeksi. Sähkövirtaa käytettäessä laite toimii elektrolysaattorina, joka tuottaa vetyä ja happea ionisoimattomasta vedestä. Kuormaa käytettäessä laite toimii polttokennona ja tuottaa sähköä vedystä.