RS62621B1 - Postupak za proizvodnju vodonika u pem sistemu za elektrolizu vode, pem ćelija elektrolizera vode, stroj i sistem - Google Patents

Postupak za proizvodnju vodonika u pem sistemu za elektrolizu vode, pem ćelija elektrolizera vode, stroj i sistem

Info

Publication number
RS62621B1
RS62621B1 RS20211384A RSP20211384A RS62621B1 RS 62621 B1 RS62621 B1 RS 62621B1 RS 20211384 A RS20211384 A RS 20211384A RS P20211384 A RSP20211384 A RS P20211384A RS 62621 B1 RS62621 B1 RS 62621B1
Authority
RS
Serbia
Prior art keywords
anode
water
cathode
polymer electrolyte
electrolyte membrane
Prior art date
Application number
RS20211384A
Other languages
English (en)
Inventor
Magnus S Thomassen
Alejandro Oyarce Barnett
Original Assignee
Hystar As
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hystar As filed Critical Hystar As
Publication of RS62621B1 publication Critical patent/RS62621B1/sr

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by decomposition of inorganic compounds
    • C01B3/042—Decomposition of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen with inorganic reducing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/085—Removing impurities
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/19—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing chemical energy, e.g. using electrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0002—Aqueous electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Description

Opis
Oblast tehnike
Pronalazak se odnosi na proizvodnju vodonika korišćenjem PEM elektrolizer sistema i odnosi se na polimernu elektrolitnu membranu (PEM) sistema za elektrolizu vode. Preciznije, pronalazak se odnosi na PEM ćelije za elektrolizu vode i stroj ćelija i njihov rad.
Stanje tehnike/prethodna tehnika
Ćelija za elektrolizu vode je elektrohemijski uređaj kojim se vrši disocijacija vode kako bi se proizveli gas vodonik i gas kiseonik. Ćelija za elektrolizu obuhvata katodu, anodu i elektrolit. Elektrolit je pozicioniran između katode i anode i prenosi jone između elektroda dok sprečava prenos elektrona. Jedna alternativa elektrolitu je polimerna elektrolitna membrana (PEM), koja se takođe naziva i membrana za izmenu protona. Tokom rada ćelije elektrolizera, voda se oksiduje u gas kiseonik, protone i elektrone na anodi. Protoni migriraju od anode ka katodi zahvaljujući primenjenom električnom polju preko polimerne elektrolitne membrane. Na katodi, protoni se kombinuju sa elektronima prevedenim kroz spoljašnje strujno kolo kako se proizvodi gas vodonik. Slika 2 prikazuje šematski dijagram sklopa membranske elektrode (MEA) PEM ćelije za elektrolizu vode prema tvrdnji tehnike, kao i glavni prenosni fenomen i reakcije koje se javljaju.
Ćelija za elektrolizu troši vodu na anodnoj strani i, anoda mora biti kontinuirano snabdevana vodom. Voda može biti dopremana ili direktno na anodu (kako je prikazano na Slici 2) ili može biti dopremana na katodu i transportovana preko polimerne elektrolitne membrane do anode. Brzina potrošnje vode, pa tako i brzina stvaranja vodonika i kiseonika, određena je Faradejevim zakonom u tome da povećanje aktuelnog prolaza kroz ćeliju dovodi do odgovarajućeg povećanja stvaranja gasa i potrošnje vode.
U publikaciji: "Solid polymer electrolyte water electrolysis systems for hydrogen production based on our newly developed membranes", Part I: Analysis of voltage-current characteristics", Progress in Nuclear Energy, ("Čvrsti polimerni eklektrolitni sistemi za elektrolizu vode za proizvodnu vodonika na bazi naših novo-razvijenih membrana", Deo I: Analiza karakteristika napon-struja", Napredak u nuklearnoj energiji, prim. prev.) Pergamon Press, Oxford, GB, vol. 50, no. 2-6, 21 December 2007, na stranama 443-448, Sawada i saradnici opisuju PEM ćeliju elektrolizera u kojoj se voda doprema uvođenjem ovlaženog vazduha i na anodu i na katodu. Rezultati Sawada i saradnika pokazuju da ovo nije dobra opcija, s obzirom na to da su struje koje se mogu postići oko 100 puta niže od onih u ćelijama PEM elektrolizera koji sadrži tečnu vodu (20 mAcm<-2>vs 2 Acm<-2>). U publikaciji: "A review on experimental evaluation of water management in a polymer electrolyte fuel cell using X-ray imaging technique", Journal of Power Sources, ("Prikaz eksperimentalnog ispitivanja upotrebe vode u ćeliji sa polimernim elektrolitnim pogonom korišćenjem imidžing tehnike X-zraka ", Časopis o izvorima energije, prim. prev.) Elsevier SA, CH, vol. 230, 5 January 2013, stranice: 101-108, Kim i saradnici su ispitali upotrebu vode u PEM pogonskim ćelijama korišćenjem imidžing tehnike X-zraka i, opisali su neke dodatne izazove sa transportom vode kao što su dehidratacija kao posledica difuzije i elektro-osmotska prepreka.
Osim prenosa vode, kiseonik (O2 (diff)) i vodonik (H2 (diff)) se prenose duž membrane putem mehanizma difuzija/konvekcija zahvaljujući gradijentu parcijalnog pritiska gasova preko membrane. Ovaj fluks gasa preko membrane i posledično mešanje vodonika u kiseoniku na anodi i kiseonika u vodoniku na katodi stoji u tvrdnji tehnike PEM elektrolizera vode kao jedno od glavnih dizajnerskih i operativnih ograničenja: jer je samo mala količina vodonika u kiseoniku na anodi potrebna da se formira zapaljiva i/ili eksplozivna gasna smeša, vodonik koji se prenosi duž membrane prekoračiće ovaj nivo ukoliko je produkcija kiseonika na anodi previše niska (niske strujne gustine) ili je prenos vodonika isuviše visok (tanka membrana i/ili visok permeabilitet). U publikaciji: "Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover", International Journal of Hydrogen energy, ("PEM elektroliza vode pod pritiskom: efikasnost i ukrštanje gasova", Međunarodni časopis o energiji vodonika, prim. prev.) vol. 38, no. 35, 10 October 2013, na stranama 14921-14933, Schalenbach i saradnici su izveli računsko ispitivanje, prošireno sa laboratorijskim eksperimentima, o uticaju pritiska na katodi i anodi na ukrštanje gasova, koje daje dobar opis ovih operativnih ograničenja.
Ovaj problem ukrštanja vodonika je prevaziđen prema navodu tehnike PEM elektrolizera za vodu korišćenjem debele membrane (iznad 125 μm), poželjno napravljene od polimera perfluorosulfonske kiseline (PSFA), kao što su Nafion® ili Aquvion®, kako bi se efikasno smanjila difuzija vodonika preko membrane. Katalizator rekombinovanja vodonik/kiseonik, kao što je platina ili paladijum, može se ugraditi u membranu, delujući kao reakcioni položaj za lokalno rekombinovanje kiseonika i vodonika u vodu, sprečavajući da difuzijom gasova stignu do odeljka druge elektrode i uđu u gasnu fazu. Međutim, da bi se postigla neophodna količina katalizatora rekombinovanja, kao i da bi se reakcija rekombinacije odvijala u određenom vremenu, neophodno je da membrana ima značajnu debljinu. Tako, prema tehnici elektrolizera za vodu, koriste se polimerne elektrolitne membrane sa debljinama od 125 mikrona (Nafion® 115 ili ekvivalent) ili većim. Iako se elektrolizeri za vodu uglavnom koriste za produkciju vodonika, PEM elektrolizeri za vodu se takođe mogu dizajnirati specifično za stvaranje kiseonika pod visokim pritiskom, npr. za disanje u svemirskim letelicama, kao što je u patentnim prijavama US 2011/198232 A1 i US 2017/101717 A1, ili za specifične primene, kao što je izdvajanje izotopa, vidi: Greenway SD et.al.: "Proton exchange membrane (PEM) electrolyzer operation under anode liquid and cathode vapor feed configurations", International Journal of Hydrogen Energy, Elsevier, Science Publishers B.V., Barking, GB, vol. 34, no.16, 1 August 2009, pages 6603-6608.
Upotreba ovako debelih membrana dovodi do značajnog omovog otpora i posledično do elektrolizera sa nižom efikasnošću, naročito pri strujnim gustinama iznad 1 Acm<-2>.
Danas, elektrolizeri za vodu rade sa efikasnošću slaganja oko 65-70% (veće vrednosti zagrevanja HHV) što dovodi do potrebe za otprilike 55 kWh električne energije za 1 kg H2. Od 55 kWh, oko 50 kWh koristi proces elektrolize, dok je 5 kWh za ravnotežu postrojenja (cirkulacija i napajanje vodene pumpe, izmenjivač toplote, jonski izmenjivač, separatori gasa/vode, ventili i senzori). U većini sistema za elektrolizu vode, trošak za električnu energiju se može popeti i do 80% cene proizvedenog vodonika, te će povećanje efikasnosti stroja vodenog elektrolizera smanjiti i ukupnu potrošnju primarne električne energije i konačnu cenu vodonika. PEM elektrolizeri obično rade u modu diferencijalnog pritiska, gde je pritisak vodonika na katodi veći od pritiska kiseonika na anodi, ali moguće je primeniti i drugačije moduse kao što je rad sa balansiranim visokim pritiskom, kako je opisao S. R. Narayanan i njegovi saradnici u: "Dual-Feed Balanced High-Pressure Electrolysis of Water in a Lightweight Polymer Electrolyte Membrane Stack", Journal of the electrochemical Society, vol.158(11):B1348.
Dva glavna faktora ograničavaju efikasnost današnjih PEM elektrolizera:
1. Preveliki potencijal anode.
2. Omov otpor u polimernoj membrani.
Predmet ovog pronalaska je obezbeđivanje unapređenog postupka i sistema za proizvodnju vodonika putem elektrolize vode. Dalje je cilj da se smanji potrošnja energije i posledično smanji cena proizvedenog vodonika. Drugi cilj ovog pronalaska je put kojim se izbegava formiranje zapaljivih ili eksplozivnih smeša kiseonika i vodonika u elektrolizeru.
Kratko izlaganje suštine pronalaska
U prvom aspektu pronalaska, obezbeđen je postupak proizvodnje vodonika u ćeliji za elektrolizu vode sa polimernom elektrolitnom membranom (PEM). Postupak obuhvata primenu direktne električne struje u ćeliji za elektrolizu vode, omogućavajući molekulima vode da iz katodnog odeljka difunduju preko polimerne elektrolitne membrane u anodni odeljak, gde se na anodnom sloju katalizatora molekuli vode oksiduju u protone, kiseonik i elektrone, omogućavajući protonima da migriraju kroz polimernu elektrolitnu membranu u katodni odeljak; pri čemu polimerna elektrolitna membrana ima debljinu manju od 50 μm; zatim redukciju protona na sloju katodnog katalizatora kako se proizvodi vodonik, uz dopremanje tečne vode u odeljak sa katodom i dopremanje ovlaženog vazduha u odeljak sa anodom.
U jednom ostvarenju pronalaska, ovlaženi vazduh koji se doprema u odeljak sa anodom ima relativnu vlažnost (RH) veću od 75% RH na nominalnoj operativnoj temperaturi elektrolizera. Ovlaženi vazduh može takođe biti zasićen sa vodom. Opciono, koristi se superzasićeni vazduh.
Ovlaženi vazduh se može dopremiti anodi pomoću pumpe/kompresora za ovlaživanje vazduha i, raspodeliti putem cevovoda za protočnu distribuciju i preko profila protoka na anodnoj bi-polarnoj ploči za optimalnu distribuciju gasa i vode duž aktivne površine anode.
Tokom rada, poželjno se kontroliše da pritisak na katodnoj strani ćelije elektrolizera bude veći od pritiska na anodnoj strani. Poželjno, pritisak na katodnoj strani je između 0.5 bara do 35 bara veći u odnosu na pritisak u odeljku sa anodom. Tokom rada, odeljak sa anodom obično radi pod pritiskom koji je neznatno veći od pritiska sredine.
U drugom aspektu pronalaska, obezbeđena je ćelija elektrolizera za vodu sa polimernom elektrolitnom membranom (PEM) za proizvodnju vodonika. PEM ćelija elektrolizera za vodu obuhvata anodni odeljak koji sadrži anodnu bi-polarnu ploču, anodni metalni porozni prenosni sloj, kao i anodni sloj katalizatora, katodni odeljak koji sadrži katodnu bi-polarnu ploču, katodni metalni porozni prenosni sloj, kao i katodni sloj katalizatora, anodni sloj i katodni sloj katalizatora su obloženi na jednoj ili drugoj strani polimerne elektrolitne membrane, pri čemu polimerna elektrolitna membrana ima debljinu manju od 50 μm; i odeljak sa katodom je konfigurisan tako da se voda sa jono-izmenjivača doprema preko prvog seta distributivnog cevovoda ulaznog i izlaznog toka i katodna bipolarna ploča je dizajnirana po šablonu prvog polja protoka, dok je anodni odeljak konfigurisan tako da se ovlaženi vazduh doprema preko drugog seta distributivnog cevovoda ulaznog i izlaznog toka i, anodna bipolarna ploča je dizajnirana po šablonu drugog polja protoka.
Anodni sloj katalizatora i katodni sloj katalizatora mogu sadržavati katalizator u obliku praška.
Vrednosti temperature ulazećeg vazduha i relativne vlažnosti su obično pri nominalnoj radnoj temperaturi elektrolizera od 50 do 90°C.
Polimerna elektrolitna membrana ima debljinu ispod 50 mikrona, poželjno u opsegu od 5 do 49 mikrona, a najpoželjnije od 10 do 35 mikrona.
U trećem aspektu pronalaska, obezbeđen je stroj PEM vodenog elektrolizera koji sadrži mnoštvo ćelija za elektrolizu vode sa polimernim elektrolitnim membranama prema pronalasku, koje su povezane u serijama.
U četvrtom aspektu pronalaska, obezbeđen je PEM sistem za elektrolizu vode. Sistem obuhvata stroj PEM elektrolizera prema pronalasku zajedno sa sistemom za upravljanje vodom i kiseonikom, sistemom za upravljanje vodoničnim gasom, sistemom za unos vode, podsistemom za montažu i pakovanje kućišta, ventilacionim sistemom, elektronikom i električnim napajanjem, sistemom kontrola i instrumenata, kao i napajanjem ovlaženim vazduhom i sistemom za ovlaživanje.
Slike
Slika 1 je šematski dijagram ćelije elektrolizera, konstruisane sa operativnim načinom u kom se ovlaženim vazduhom snabdeva anoda i tečnom vodom katoda.
Slika 2 je šematski dijagram sklopa membranske elektrode, MEA, prema navodima tehnike.
Slika 3 je šematski dijagram sklopa membranske elektrode, MEA, prema pronalasku. Slika 4 je šematski dijagram PEM sistema za elektrolizu vode prema pronalasku.
Slika 5 je dijagram koji pokazuje napon ćelije, strujnu gustinu i gasni sastav na anodnoj strani tokom testa elektrolize.
Slika 6 je dijagram koji pokazuje napon ćelije u različitim operativnim uslovima (proporcionalno potrošnji energije).
Detaljan opis pronalaska
Predmeti i odlike pronalaska mogu se bolje razumeti sa osvrtom na slike, koje su opisane u nastavku.
Slika 1 je šematski dijagram ćelije elektrolizera konstruisane tako da radi sa dopremanjem ovlaženog vazduha na anodu i tečne vode na katodu.
Ćelija za elektrolizu sadrži odeljak anode, koji ima anodnu bi-polarnu ploču (1a), anodni metalni porozni transportni sloj (2a), anodni sloj katalizatora (3) obložen na vrhu tanke polimerne elektrolitne membrane (4). Katodni odeljak sadrži katodni sloj katalizatora (5) obložen na vrhu polimerne elektrolitne membrane (4), katodni metalni porozni transportni sloj (2b) i katodnu metalnu bi-polarnu ploču (1b). Anodna bipolarna ploča (1a) je izgrađena od metalnog materijala koji ima visok otpor prema koroziji i visoku električnu provodljivost. Sem toga, anodna bipolarna ploča (1a) je dizajnirana sa šablonom polja protoka (6) i odgovarajućim ulazom (7) i izlazom (8) cevovoda za distribuciju protoka za optimalnu raspodelu gasa i vode duž aktivne površine elektrolizera. I anodna bipolarna ploča (1a) i anodni metalni porozni transportni sloj (2a) su optimizovani da minimizuju otpore električnog kontakta u elektrolizeru. Anodni metalni porozni transportni sloj (2a) je izgrađen od materijala koji ima visok otpor prema koroziji i visoku električnu provodljivost što omogućava difuziju ovlaženog vazduha u anodni sloj katalizatora (3). Anodni sloj katalizatora (3) sadrži katalizator koji je visoko efikasan u reakciji nastajanja kiseonika i protonski konduktivni polimer koji omogućava migraciju protona sa i vode na anodni sloj katalizatora (3). Katodna metalna bipolarna ploča (1b) je, takođe, izgrađena od metalnog materijala koji ima visok otpor prema koroziji i visoku električnu provodljivost. Katodna bipolarna ploča (1b) je dizajnirana sa šablonom polja protoka (9), koji, međutim, nije nužno isti kao šablon polja protoka (6) anodne bipolarne ploče (1a), i odgovarajućim ulazom(10) i izlazom (11) cevovoda za distribuciju protoka za optimalnu raspodelu vode i gasa duž aktivne površine elektrolizer uređaja, koji, međutim, nisu nužno isti kao (7) i (8) na anodnoj strani. Katodni metalni porozni transportni sloj (2b) je izgrađen od materijala koji ima visok otpor prema koroziji i visoku električnu provodljivost što omogućava transport vode i vodonika na i sa katodnog sloja katalizatora (5). Katodni sloj katalizatora (5) sadrži katalizator koji je visoko efikasan u reakciji nastajanja vodonika i protonski konduktivni polimer koji omogućava migraciju protona na i vode sa katodnog sloja katalizatora (5).
Slika 3 prikazuje šematski dijagram sklopa membranske elektrode (MEA) u ćeliji PEM elektrolizera za vodu prema pronalasku i glavni prenosni fenomen i reakcije koje se javljaju.
Tokom rada, voda sa jono-izmenjivača (H2O(l)) se doprema u ćelijski odeljak sa katodom kroz ulazni otvor stroja, unutrašnjim cevovodom i šablonom polja protoka na katodnoj bi-polarnoj ploči. Ovlaženi vazduh se doprema do odeljka anode kroz anodni ulazni otvor, unutrašnjim cevovodom i šablonom polja protoka na anodnoj bi-polarnoj ploči. Deo vode na katodi se apsorbuje u polimernoj elektrolitnoj membrani i kreće se ka anodi putem kombinovanog mehanizma difuzija/konvekcija (H2O(diff)). Voda na anodi reaguje i prevodi se u gas kiseonika, protone i elektrone prema jednačini (1):
H2O -> 2e<->+ 2H<+>+ 1⁄2O2(1)
Protoni migriraju kroz polimernu elektrolitnu membranu sa anodnog položaja ka katodnom položaju i fenomenom poznatim kao elektroosmotski otpor, noseći značajan deo tečne vode (H2O(drag)) (drag-dovučen(a), prim. prev.) sa anodnog položaja na katodni položaj membrane. Na katodi, protoni se spajaju sa elektronima, transferisanim preko spoljnjeg strujnog kola kako se proizvodi gas vodonika prema jednačini (2).
2e<->+ 2H<+>-> H2(2)
Svaki višak vode u anodnom odeljku napušta ćeliju zajedno sa vazduhom, proizvodeći gas kiseonik, vodenu paru ((H2O(g)) i male količine gasa vodonika. Vodonični gas, proizveden na katodnom položaju, napušta ćeliju zajedno sa viškom vode i tragovima kiseonika.
Brzina stvaranja kiseonika na anodi i brzina stvaranja vodonika na katodi u ćeliji za elektrolizu ponaša se po Faradejevom zakonu tako da povećanje primenjene struje u ćeliji povećava brzinu potrošnje vode na anodi, te na taj način, povećava brzine stvaranja gasova i na anodi i na katodi. U cilju održavanja povećanog stvaranja vodonika na datoj površini elektrode i veličini stroja, na anodu mora da se doprema dovoljna količina vode.
Kontinuiran rad ćelije za elektrolizu zahteva transport vode sa katode na anodu gde se ona troši u reakciji nastanka kiseonika. Osim ove potrošnje, sa anode se voda takođe uklanja i drugim mehanizmima. Prvo, efekat poznat kao elektroosmotski otpor oslobađa anodu od vode, jer protoni, krećući se preko membrane, povlače izvesnu količinu molekula vode sa sobom. Kod, na primer, Nafion® membrana, elektroosmotski otpor može biti do otprilike tri molekula vode po protonu.
Anodna gasna faza u ćeliji će biti prezasićena sa vodenom parom zahvaljujući dodatnom gasu kiseonika koji se proizvodi na anodi. Tečna voda će zbog toga isparavati i ostavljati anodu sa postojećim gasom i biće dopunjena vodom sa membrane.
Difuzija vode kroz membranu je proporcionalna gradijentu aktivnosti vode u membrani i koeficijentu difuzije vode u membrani, takođe poznato kao Fikov zakon.
Gradijent aktivnosti u membrani je obrnuto proporcionalan debljini membrane tako da se smanjivanjem debljine membrane povećava gradijent aktivnosti.
U ovom pronalasku, debljina PEM membrane može biti manja od 50 mikrona, poželjno od 5 do 49 mikrona, čak još poželjnije u opsegu od 10 do 35 mikrona. Korišćenje tanke membrane, kao što je prethodno opisano u ćeliji za elektrolizu, povećava prenos vode sa katode ka anodi, što dovodi do većeg ograničavanja gustine struje, pa na taj način, povećanja stvaranja gasova kiseonika i vodonika u datoj ćeliji i veličine stroja.
Aktivnost vode na katodi je proporcionalna pritisku na katodi. U jednom ostvarenju, pritisak na katodi ćelije za elektrolizu tokom rada se kontroliše tako da bude veći u odnosu na pritisak na anodi. Ovaj diferencijalni pritisak će "gurnuti" vodu sa katode ka anodi, pa se tako poboljšava transport vode sa katode ka anodi i dovodi do povećanja brzine proizvodnje gasa pri istoj veličini elektrode. Pritisak na anodi je obično neznatno iznad ambijentalnog pritiska sa ciljem da se prevaziđe pad pritiska ovlaženog vazduha koji protiče kroz odeljak anode. U jednom ostvarenju, razlika u pritiscima između katode i anode je između 0.5 bara i 35 bara, u drugom ostvarenju, razlika u pritiscima je između 1 bara i 20 bara.
Upotreba tanke membrane kako je prethodno opisana, koja je značajno tanja od membrana korišćenih u stanju tehnike ćelija za elektrolizu, smanjiće omov otpor u ćeliji za elektrolizu i na taj način smanjiti potrošnju energije procesa za skoro 15 - 20%, pa će tako smanjiti i potrebu za spoljašnjim hlađenjem ćelije za elektrolizu. Tanja membrana će, isto tako, povećati fluks vodonika sa katode ka anodi i kiseonika sa anode ka katodi. U konvencionalnoj ćeliji za elektrolizu samo sa dopremanjem vode na anodu, povećanje fluksa vodonika dovešće do povećanja rizika od formiranja eksplozivnih ili zapaljivih smeša gasova više u odeljku anode u odnosu na širi operativni opseg ćelije za elektrolizu. Ovim pronalaskom se ovaj rizik ublažava kombinovanjem upotrebe tanke membrane sa dopremanjem ovlaženog vazduha na anodu. Dopremanje ovlaženog vazduha na anodu efikasno će razblažiti vodonik, koji se prenosi sa katode kroz membranu, na nivoe koji su daleko ispod donjeg eksplozivnog limita (LEL) smeša vodonik-vazduh, na otprilike 4 mol-%, pa će na taj način ukloniti rizik od formiranja zapaljivih ili eksplozivnih gasnih smeša u celom operativnom opsegu ćelije za elektrolizu.
Rad ćelije elektrolizera može dovesti do degradacije polimerne elektrolitne membrane, na primer, procesom napada slobodnih radikala. Ovaj proces degradacije je obično veći u oblasti membrane koja je bliže katodi zbog formiranja vodonik peroksida i slobodnih radikala kao nuz-proizvoda redukcije kiseonika na katodi. Brzina formiranja slobodnih radikala, te posledično koncentrisanje ovih u membrani, direktno je povezano sa fluksom kiseonika kroz membranu sa anode ka katodi. Ovaj fluks je kombinacija difuzije u polimernoj fazi i difuzije/konvekcije u vodenoj fazi u membrani. Brzina difuzije je generalno direktno proporcionalna parcijalnom pritisku kiseonika na anodi (pO2) i brzina konvekcije je proporcionalna fluksu vode kroz membranu.
U jednom ostvarenju, kako se ćelija za elektrolizu puni sa ovlaženim vazduhom na anodi, kombinacija azota i vodene pare u vazduhu obezbeđuje mnogo niži pO2od onog koji je u konvencionalnoj PEM ćeliji za elektrolizu. Dalje, čist fluks vode je sa katode ka anodi što je suprotno konvencionalnoj PEM ćeliji za elektrolizu gde je čist H2O fluks sa anode ka katodi (vidi Slike 2 i 3). Tako, ćelija za elektrolizu, koja radi sa ovlaženim vazduhom koji se doprema na anodu i vodom koja se puni na katodu, imaće značajno manje formiranje slobodnih radikala i niže brzine membranske degradacije u odnosu na konvencionalne PEM elektrolizere.
Slika 4 prikazuje šematski dijagram sistem PEM elektrolizera za vodu prema ovom pronalasku. U ovom sistemu, vazduh se doprema preko pumpe ili kompresora (12) na ovlaživač vazduha (13) koji je tako konfigurisan da omogućava kontrolisani nivo ovlaživanja vazduha koji se onda doprema na položaj anode u ćelijama PEM elektrolizer stroja (14). Ovlaživač vazduha se može odabrati i od brojnih alternativnih, kao što su entalpijsko kolo, ovlaživač membrane, atomizer vode, prskalica ili ovlaživač sa mehurićima.
Stroj elektrolizera (14) je tako konfigurisan da doprema ovlaženi vazduh u svaku elektrolizersku ćeliju na takav način da se ovlaženi vazduh ravnomerno raspodeljuje preko površine anodne elektrode kao i da razblažuje gas vodonik koji se prožima od katode na nivo ispod 1 volum%. Osim toga, stroj elektrolizera je konfigurisan da doprema tečnu vodu u katodni odeljak svake elektrolizerske ćelije. Ova kombinacija je od vitalnog značaja jer se time osigurava neophodnost vode, koja je potrebna za reakciju nastanka kiseonika na anodi, kao i da bi se osigurao visok sadržaj vode u membrani čime se zadržava visoka konduktivnost protona. Voda sa jono-izmenjivača se doprema sa uređaja za prečišćavanje vode (19). Proizvedeni vodonik napušta stroj PEM vodenog elektrolizera (14) zajedno sa vodom. Vodonik i voda se razdvajaju u vodonik/voda separatoru (15). Vodonik protiče kroz uređaj za deoksidovanje/sušenje (16). Odvojena voda se reciklira u jedinici za prečišćavanje vode (19) i odlazi u stroj PEM vodenog elektrolizera (14). U cirkulacioni niz se mogu dodati i cirkulaciona pumpa (17) i izmenjivač toplote (18).
Eksperiment
Eksperiment je izveden upotrebom MEA na bazi Nafion® 212 membrane (50 mikrona debljine) montiranog u test ćeliju elektrolizera veličine 25 cm<2>. Test ćelija je bila spojena sa test stanicom PEM elektrolizera, proizvođača Greenlight Technologies. Tokom prva dva sata eksperimenta, ćelija je radila na 60°C u konvencionalnom modu pri 1Acm<-2>uz cirkulaciju vode na anodi i katodi. Koncentracija vodonika u kiseoniku je kontinuirano praćena i pokazala vrednost u ravnotežnom stanju od oko 2 vol% na anodnom položaju. Koncentracija vodonika u kiseoniku u funkciji vremena je prikazana na Slici 5. Posle dva sata, način rada je promenjen i 9 Lmin<-1>ovlaženog vazduha (100%RH na 60°C) je dopremano na anodu dok se na katodu dopremala tečna voda. Koncentracija vodonika u gasu koji odlazi sa anode odmah pada na nedetektabilne (ispod 0.1 %) nivoe, dok su ćelijski napon i struja elektrolizera konstantni.
Posle 5 sati, ispitan je efekat gustine struje. Ovi rezultati su, isto tako, prikazani na Slici 5. Gustina struje je varirala od 0.01 do 2 Acm<-2>i nisu otkrivene detektabilne količine vodonika u gasu koji odlazi sa anode. Radi poređenja, ćelija je vraćena na konvencionalan operativni način sa vodom i na anodi i na katodi i, koncentracija vodonika je brzo porasla na otprilike 2 vol% ili veću (pri maloj strujnoj gustini).
Posle osam sati rada, ćelija je ugašena i eksperiment je bio završen. Ovaj eksperiment jasno pokazuje da PEM elektrolizer sa tankom membranom može da radi samo sa ovlaženim vazduhom koji se doprema na anodni ulaz sa istim performansama kao ćelija u kojoj se tečna voda doprema na anodu, ali sa značajno nižim koncentracijama vodonika u gasu koji se proizvodi na anodi. Moguće je održavati visoku gustinu struje kada se voda doprema na katodu i ovlaženi vazduh na anodu, uz nisku koncentraciju vodonika na anodnom položaju. Postupak pronalaska omogućava bezbedan rad u kombinaciji sa visokom efikasnošću i tako, niže troškove rada i opreme.
Slika 6 prikazuje razliku u potrošnji energije između upotrebe debele membrane i tanke membrane u različtim operativnim uslovima. Linije A-D prikazuju efekat različitih uslova:
A (komparativni primer): Debela membrana (125 mikrona), komercijalni ekvivalent elektrolizera za vodu. Voda na katodi i anodi. Ne-efikasan, ali BEZBEDAN rad (niska koncentracija H2na anodi)
B (komparativni primer): Tanka membrana (27.5 mikrona). Voda na katodi i anodi: veoma efikasan, ali NEBEZBEDAN rad (veoma visoka koncentracija H2od 3.5 vol% na anodi zbog tanke membrane)
C: Tanka membrana (30 mikrona). Voda na katodi i ovlaženi vazduh na anodi: efikasan i BEZBEDAN rad (niska koncentracija H2(nije detektabilan) na anodi zahvaljujući diluciji. Rast napona pri većoj struji zahvaljujući suvljoj anodi)
D: Tanka membrana (30 mikrona). Voda pod visokim pritiskom na katodi i ovlaženi vazduh na anodi: veoma efikasan i BEZBEDAN rad (niska koncentracija H2(nije detektabilan) zahvaljujući diluciji i povećana efikasnost zahvaljujući tome što se više vode gura sa katode ka anodi putem većeg katodnog pritiska)
Kada se voda koristi i na anodi i na katodi (stanje tehnike) i debela membrana, linija A, postiže se bezbedan rad, ali proces nije mnogo efikasan. Korišćenjem tanke membrane i vode i na katodnom i na anodnom položaju, linija B, postiže se veoma efikasan proces, koji međutim nije bezbedan, jer koncentracija vodonika raste na više od 3 vol% H2u O2. Kada se koristi tanka membrana, potrošnja energije pada sa oko 20%.
Radeći sa ćelijom prema pronalasku (linije C i D), koncentracija H2se održava na niskom nivou, tj. ispod 0.5%, i sa ćelijom se može raditi uz veću strujnu gustinu i nižu potrošnju energije u poređenju sa stanjem tehnike.

Claims (11)

Patentni zahtevi
1. Postupak za proizvodnju vodonika u ćeliji elektrolizera za vodu sa polimernom elektrolitnom membranom (PEM), postupak obuhvata:
primenu direktne električne struje u ćeliji za elektrolizu vode;
omogućavanje molekulima vode da iz katodnog odeljka šire preko polimerne elektrolitne membrane u anodni odeljak;
oksidovanje molekula vode na anodnom sloju katalizatora u protone, kiseonik i elektrone;
omogućavanje protonima da pomeraju kroz polimernu elektrolitnu membranu u katodni odeljak; polimerna elektrolitna membrana ima debljinu manju od 50 μm;
redukciju protona na sloju katodnog katalizatora kako se proizvodi vodonik;
dopremanje tečne vode u odeljak sa katodom,i
dopremanje ovlaženog vazduha u odeljak sa anodom.
2. Postupak prema zahtevu 1, pri čemu ovlaženi vazduh ima relativnu vlažnost (RH) veću od 75% RH na nominalnoj operativnoj temperaturi elektrolizera.
3. Postupak prema zahtevu 1, pri čemu ovlaženi vazduh je superzasićeni vazduh.
4. Postupak prema bilo kom od zahteva 1 do 3, pri čemu i katodni odeljak radi na pritisku između 0.5 bara do 35 bara većem od pritiska u odeljku sa anodom.
5. Postupak prema bilo kom od zahteva 1 do 4, pri čemu se ovlaženi vazduh doprema preko distributivnog cevovoda protoka i preko šablona polja protoka na anodnoj bipolarnoj ploči.
6. Postupak prema bilo kom od zahteva 1 do 5, pri čemu polimerna elektrolitna membrana ima debljinu u opsegu od 5 do 49 μm.
7. Ćelija vodenog elektrolizera sa polimernom elektrolitnom membranom (PEM) za proizvodnju vodonika, koja obuhvata
anodni odeljak koji sadrži anodnu bipolarnu ploču, anodni metalni porozni transportni sloj, i anodni sloj katalizatora,
katodni odeljak koji sadrži katodnu bipolarnu ploču, katodni metalni porozni transportni sloj, i katodni sloj katalizatora,
anodni sloj katalizatora i katodni sloj katalizatora su obloženi sa obe strane polimerne elektrolitne membrane, pri čemu polimerna elektrolitna membrana ima debljinu manju od 50 μm; i
odeljak sa katodom je konfigurisan tako da se voda sa jono-izmenjivača doprema preko prvog seta distributivnog cevovoda ulaznog i izlaznog toka i katodna bipolarna ploča je dizajnirana po šablonu prvog polja protoka, i
anodni odeljak konfigurisan tako da se ovlaženi vazduh doprema preko drugog seta distributivnog cevovoda ulaznog i izlaznog toka i anodna bipolarna ploča je dizajnirana po šablonu drugog polja protoka.
8. PEM elektrolizer ćelija prema zahtevu 7, pri čemu polimerna elektrolitna membrana ima debljinu u opsegu od 5 do 49 μm.
9. PEM elektrolizer ćelija prema zahtevima 7 ili 8, pri čemu polimerna elektrolitna membrana dalje sadrži platinu ili paladijum kao katalizatore rekombinacije.
10. Stroj PEM vodenog elektrolizera, koji sadrži mnoštvo ćelija vodenog elektrolizera sa polimernim elektrolitnim membranama prema zahtevima 7 do 9, koje su povezane u serijama.
11. Sistem PEM elektrolizera za vodu, koji sadrži
sistem za upravljanje vodom i kiseonikom,
sistem za upravljanje vodoničnim gasom,
RS20211384A 2017-07-03 2018-07-02 Postupak za proizvodnju vodonika u pem sistemu za elektrolizu vode, pem ćelija elektrolizera vode, stroj i sistem RS62621B1 (sr)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20171090A NO343985B1 (en) 2017-07-03 2017-07-03 Polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolyser cell, stack and system and a method for producing hydrogen in said PEM water electrolyser system
PCT/NO2018/050174 WO2019009732A2 (en) 2017-07-03 2018-07-02 PROCESS FOR PRODUCING HYDROGEN IN A POLYMER ELECTROLYTIC MEMBRANE WATER ELECTROLYSIS SYSTEM, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE WATER ELECTROLYSER CELL, STACK AND SYSTEM
EP18822162.6A EP3649276B1 (en) 2017-07-03 2018-07-02 A method for producing hydrogen in a pem water electrolyser system, pem water electrolyser cell, stack and system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RS62621B1 true RS62621B1 (sr) 2021-12-31

Family

ID=64744918

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RS20211384A RS62621B1 (sr) 2017-07-03 2018-07-02 Postupak za proizvodnju vodonika u pem sistemu za elektrolizu vode, pem ćelija elektrolizera vode, stroj i sistem

Country Status (17)

Country Link
US (2) US11408081B2 (sr)
EP (1) EP3649276B1 (sr)
JP (1) JP7219973B2 (sr)
KR (1) KR102569814B1 (sr)
CN (1) CN111051573B (sr)
AU (1) AU2018297890B2 (sr)
CY (1) CY1124779T1 (sr)
DK (1) DK3649276T3 (sr)
ES (1) ES2898858T3 (sr)
HR (1) HRP20211658T1 (sr)
HU (1) HUE056264T2 (sr)
NO (1) NO343985B1 (sr)
PL (1) PL3649276T3 (sr)
PT (1) PT3649276T (sr)
RS (1) RS62621B1 (sr)
SI (1) SI3649276T1 (sr)
WO (1) WO2019009732A2 (sr)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7162258B2 (ja) * 2018-05-30 2022-10-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法
EP3879006A4 (en) * 2018-11-05 2021-12-29 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Method for manufacturing hydrogen
KR102375457B1 (ko) 2020-05-26 2022-03-17 중앙대학교 산학협력단 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조
AU2021425600A1 (en) * 2021-02-08 2023-08-17 Juan Carmelo SUÁREZ IZQUIERDO Atmospheric autonomous installation for producing hydrogen
JP7520758B2 (ja) * 2021-03-18 2024-07-23 株式会社東芝 電気化学装置
DE102022106498A1 (de) 2021-04-08 2022-10-13 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse und Verfahren zur Wasserelektrolyse
CN113337844B (zh) * 2021-06-01 2022-11-01 武汉理工氢电科技有限公司 电解水膜电极及其制备方法、制氢装置
EP4355929A4 (en) * 2021-06-16 2025-08-27 Skyre Inc OXYGEN CONCENTRATOR MODULE
JP2024536518A (ja) * 2021-10-14 2024-10-04 アイガス エナジー ゲー・エム・ベー・ハー 差圧電解による高圧水素製造用ｐｅｍ電解セルおよびｐｅｍ電解セルスタック用フレーム
EP4166691A1 (de) * 2021-10-14 2023-04-19 iGas energy GmbH Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse
CN116066298A (zh) * 2021-10-29 2023-05-05 中国石油化工股份有限公司 风力发电的出力平衡装置和系统
US12435434B2 (en) 2022-02-10 2025-10-07 Uop Llc Method for conditioning an electrolysis system
AU2023239123A1 (en) 2022-03-23 2024-09-19 Toray Industries, Inc. Water electrolysis method, water electrolysis cell and water electrolysis system
CN115058722A (zh) * 2022-05-20 2022-09-16 四川华能氢能科技有限公司 一种水电解制氢装置的防爆结构
WO2024044279A1 (en) * 2022-08-24 2024-02-29 Electric Hydrogen Co. Membrane electrolyzer with cathode water flow in opposite direction to anode water flow
GB2622072A (en) 2022-09-01 2024-03-06 Oort Energy Ltd A membrane electrode assembly
CN115241488A (zh) * 2022-09-07 2022-10-25 北京亿华通科技股份有限公司 一种集成pem制氢及pem燃料电池的热管理系统
TR2022015892A2 (tr) * 2022-10-19 2023-08-21 Erci̇yes Üni̇versi̇tesi̇ Strateji̇ Geli̇şti̇rme Dai̇re Başkanliği Elektrolizörlerde Hidrojen Üretimini Arttıran Sistem ve Yöntem.
WO2025034888A1 (en) * 2023-08-07 2025-02-13 Rheem Manufacturing Company Hydrogen powered water heater with self-generating hydrogen
CN118223040B (zh) * 2024-05-24 2024-08-20 四川思达能环保科技有限公司 水处理方法及电化学反应系统
WO2025250529A1 (en) 2024-05-30 2025-12-04 Best Planet Science Llc System and method for electrolytic production of hydrogen
DE102024207916A1 (de) * 2024-08-21 2026-02-26 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Bipolarplatte für ein Elektrolysesystem
CN121228292A (zh) * 2025-11-11 2025-12-30 合肥工业大学 一种考虑性能退化的多堆pem电解槽功率分配策略
CN121612964B (zh) * 2026-01-30 2026-04-17 常州兴燃科技有限公司 一种用于pem电解槽的阳极催化剂利用率测试方法

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2778767B2 (ja) 1989-12-11 1998-07-23 三菱重工業株式会社 多孔質電極及びその使用方法
US5350496A (en) * 1992-08-13 1994-09-27 United Technologies Corporation Solid state high pressure oxygen generator and method of generating oxygen
US5342494A (en) * 1993-03-05 1994-08-30 United Technologies Corporation High purity hydrogen and oxygen production and apparatus therefor
JP3240981B2 (ja) * 1997-12-05 2001-12-25 三菱電機株式会社 電解式オゾン発生器
US6562446B1 (en) * 1998-08-05 2003-05-13 Japan Storage Battery Co., Ltd. Multi-layer polymer electrolyte-membrane, electrochemical apparatus and process for the preparation of multi-layer polymer electrolyte membrane
US8282811B2 (en) * 2001-08-29 2012-10-09 Giner Electrochemical Systems, Llc Method and system for producing high-pressure hydrogen
JP3719178B2 (ja) 2001-09-13 2005-11-24 ソニー株式会社 水素ガス製造充填装置及び電気化学装置
US7169281B2 (en) 2002-02-01 2007-01-30 Hy9Corporation Electrochemical pressurizer/purifier of hydrogen for operation at moderately elevated temperatures (including high-temperature electrochemical pump in a membrane generator of hydrogen)
JP2003328170A (ja) 2002-05-10 2003-11-19 Proton Energy Systems Inc アノード／カソードフィード高圧電解方法およびシステム
GB0504445D0 (en) * 2005-03-03 2005-04-06 Univ Cambridge Tech Oxygen generation apparatus and method
US20070227900A1 (en) * 2006-04-04 2007-10-04 H2 Pump Llc Performance enhancement via water management in electrochemical cells
US8021525B2 (en) * 2007-05-16 2011-09-20 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation PEM water electrolysis for oxygen generation method and apparatus
KR101014388B1 (ko) * 2007-12-06 2011-02-15 (주)엘켐텍 내연기관용 산소/수소가스 발생장치
KR101027660B1 (ko) 2007-12-06 2011-04-12 (주)엘켐텍 정수용 산소용해기 및 이를 구비한 고농도 산소수 정수장치
US20110198232A1 (en) * 2010-02-15 2011-08-18 Hamilton Sundstrand Corporation High-differential-pressure water electrolysis cell and method of operation
KR101355543B1 (ko) * 2011-02-09 2014-01-29 (주)엘켐텍 메탈폼의 제조방법 및 이 메탈폼이 구비된 전기화학 스택
EP2694702A4 (en) * 2011-04-01 2014-10-15 California Inst Of Techn PROTONATE EXCHANGE MEMBRANE ELECTROLYSIS WITH WATER VAPOR AS EXTRACT MATERIAL
FR2976592B1 (fr) 2011-06-17 2013-07-19 Commissariat Energie Atomique Assemblage membrane-electrodes pour dispositif d'electrolyse
FR2996065B1 (fr) 2012-09-26 2017-02-24 Commissariat Energie Atomique Composant constituant un interconnecteur d'electrolyseur eht ou de pile a combustible sofc et procedes de realisation associes
JP5502973B1 (ja) 2012-11-30 2014-05-28 ミズ株式会社 生体用高濃度水素ガス供給装置
CN103882466B (zh) 2012-12-21 2016-05-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种中高压固体聚合物水电解装置
JP6332792B2 (ja) * 2014-03-26 2018-05-30 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 水電解方法及び水電解装置
US20150349368A1 (en) * 2014-05-29 2015-12-03 Christopher G. ARGES Reversible alkaline membrane hydrogen fuel cell-water electrolyzer
WO2016191057A1 (en) * 2015-05-26 2016-12-01 3M Innovative Properties Company Oxygen evolution catalyst electrodes, and methods of making and using the same
JP2017087168A (ja) 2015-11-13 2017-05-25 シャープ株式会社 水素含有水生成装置および水素含有水の生成方法
WO2017100847A1 (en) * 2015-12-14 2017-06-22 Aquahydrex Pty Ltd Electrochemical cell and components thereof capable of operating at high current density
US10337107B2 (en) * 2016-05-03 2019-07-02 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Solar hydrogen production from ambient water vapor electrolysis
DE102016014396A1 (de) 2016-12-05 2018-06-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Elektrolysezelle sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen
US20180209051A1 (en) * 2017-01-26 2018-07-26 Sustainable Innovations, Inc. Method and apparatus providing high purity diatomic molecules of hydrogen isotopes
EP3607113B1 (en) * 2017-04-03 2023-07-19 3M Innovative Properties Company Water electrolyzers

Also Published As

Publication number Publication date
AU2018297890B2 (en) 2023-07-06
US20210147986A1 (en) 2021-05-20
NO20171090A1 (en) 2019-01-04
PT3649276T (pt) 2021-11-09
KR20200024835A (ko) 2020-03-09
ES2898858T3 (es) 2022-03-09
CY1124779T1 (el) 2022-11-25
US12024783B2 (en) 2024-07-02
NO343985B1 (en) 2019-08-05
CN111051573A (zh) 2020-04-21
US20220364246A1 (en) 2022-11-17
EP3649276A2 (en) 2020-05-13
HUE056264T2 (hu) 2022-02-28
PL3649276T3 (pl) 2022-01-10
CA3068413A1 (en) 2019-01-10
EP3649276B1 (en) 2021-08-11
WO2019009732A2 (en) 2019-01-10
KR102569814B1 (ko) 2023-08-23
JP2020525653A (ja) 2020-08-27
HRP20211658T1 (hr) 2022-02-04
JP7219973B2 (ja) 2023-02-09
US11408081B2 (en) 2022-08-09
AU2018297890A1 (en) 2020-01-16
SI3649276T1 (sl) 2021-12-31
WO2019009732A3 (en) 2019-03-21
DK3649276T3 (da) 2021-10-25
CN111051573B (zh) 2022-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RS62621B1 (sr) Postupak za proizvodnju vodonika u pem sistemu za elektrolizu vode, pem ćelija elektrolizera vode, stroj i sistem
CN105518184B (zh) 氢气系统和操作方法
CN109873182A (zh) 氢气供给系统
US11421327B2 (en) Water electrolysis method and water electrolysis device
Müller et al. Water management in membrane electrolysis and options for advanced plants
JP2020525653A5 (sr)
Thomas et al. Thermal effect on water transport in proton exchange membrane fuel cell
US20110198232A1 (en) High-differential-pressure water electrolysis cell and method of operation
US20090214905A1 (en) Direct methanol fuel cell operable with neat methanol
Staiti et al. Influence of electrodic properties on water management in a solid polymer electrolyte fuel cell
Greenway et al. Proton exchange membrane (PEM) electrolyzer operation under anode liquid and cathode vapor feed configurations
US20240017210A1 (en) Compressor device and method for controlling compressor device
US20240011174A1 (en) Compressor device and method for controlling compressor device
Matera et al. Fuel cell performance assessment for closed-loop renewable energy systems
US20200318249A1 (en) Process water thermal management of electrochemical inert gas generating system
US20200316522A1 (en) Thermally-managed electrochemical inert gas generating system and method
EP4256109B1 (en) Membrane-type water electrolysis device for the production of gaseous hydrogen or oxygen at a controlled humidity level
CA3068413C (en) A method for producing hydrogen in a pem water electrolyser system, pem water electrolyser cell, stack and system
HK40027706B (en) A method for producing hydrogen in a pem water electrolyser system, pem water electrolyser cell, stack and system
HK40027706A (en) A method for producing hydrogen in a pem water electrolyser system, pem water electrolyser cell, stack and system
Mittelsteadt et al. Advanced bipolar plate for a unitized regenerative fuel cell
US20170117565A1 (en) Anionic scavenger materials in anode/cathode loop of fuel cell system
WO2020054334A1 (ja) 水素生成システム及び水素生成システムの運転方法
Mittelsteadt et al. Advanced Unitized Regenerative Fuel Cell Technology for Lunar Missions
Maranzana et al. Pseudo-2D polarization model of Polymer Exchange Membrane Fuel Cell including mass transport limitation due to flooding. Numerical simulation and comparison with experimental results