Konrad Piotrowski
Inżynier ekolog
Serce wodoru: Elektrolizery z membraną wymiany protonów (PEM) – cz. III
Po poznaniu prostej komórki HHO i elektrolizera alkalicznego warto przejść do technologii, o której bardzo często mówi się w kontekście nowoczesnej gospodarki wodorowej. Mowa o elektrolizerach PEM, czyli urządzeniach wykorzystujących membranę protonowymienną. Już sama nazwa może brzmieć dość naukowo, ale zasada działania jest możliwa do zrozumienia bez zagłębiania się w skomplikowaną chemię. Wystarczy wyobrazić sobie bardzo precyzyjny filtr, który przepuszcza tylko wybrane cząstki, a inne zatrzymuje.
Elektrolizer PEM, podobnie jak układ alkaliczny, służy do rozkładu wody na wodór i tlen przy użyciu energii elektrycznej. Różnica polega jednak na tym, w jaki sposób odbywa się transport ładunku wewnątrz ogniwa. W elektrolizerze alkalicznym główną rolę odgrywają jony wodorotlenkowe OH⁻, które przemieszczają się przez zasadowy elektrolit. W technologii PEM nośnikami ładunku są protony H⁺, czyli najprościej mówiąc dodatnio naładowane „cząstki wodoru”.
Właśnie dlatego membrana w elektrolizerze PEM jest tak ważna. To ona jest sercem całego urządzenia. Nie pełni jedynie roli przegrody oddzielającej wodór od tlenu. Jest jednocześnie drogą, przez którą mogą przechodzić protony. Można powiedzieć, że membrana PEM działa jak bardzo selektywna bramka: przepuszcza protony, ale nie pozwala swobodnie mieszać się gazom ani elektronom.
Dzięki temu proces produkcji wodoru może być prowadzony w sposób bardzo czysty, precyzyjny i bezpieczny. To duży krok w porównaniu z najprostszą komórką HHO, w której wodór i tlen powstają razem jako mieszanina gazów. W elektrolizerze PEM oba gazy są rozdzielone już na poziomie samego ogniwa. Wodór powstaje po jednej stronie membrany, a tlen po drugiej.
Podstawowym surowcem w elektrolizerze PEM jest woda, ale nie woda z kranu. Technologia ta wymaga wody bardzo czystej, najczęściej dejonizowanej lub demineralizowanej. Jest to ważne, ponieważ zanieczyszczenia mogłyby uszkadzać membranę, katalizatory i inne wrażliwe elementy ogniwa. Jeśli elektrolizer alkaliczny można porównać do solidnej maszyny przemysłowej, która dobrze radzi sobie w mocno zasadowym środowisku, to elektrolizer PEM bardziej przypomina precyzyjne urządzenie techniczne, które potrzebuje czystych warunków pracy.
Proces zaczyna się po stronie anody. To tam doprowadzana jest woda. Pod wpływem napięcia elektrycznego cząsteczki wody zostają rozdzielone na tlen, protony i elektrony. Tlen opuszcza układ jako oddzielny gaz. Protony przechodzą przez membranę na drugą stronę ogniwa. Elektrony natomiast nie mogą przejść przez membranę, dlatego płyną zewnętrznym obwodem elektrycznym. Po stronie katody protony spotykają się z elektronami i łączą się, tworząc cząsteczki wodoru.
Reakcję po stronie anody można zapisać następująco:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ Oznacza to, że z wody powstaje tlen, protony oraz elektrony.
Po stronie katody zachodzi druga reakcja: 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
Tutaj protony i elektrony łączą się, tworząc wodór.
Po zsumowaniu obu półreakcji otrzymujemy dobrze znaną reakcję rozkładu wody:
2H₂O → 2H₂ + O₂
Rys. 1. Budowa i zasada działania pojedynczego ogniwa elektrolizera PEM. Żródło: opracowanie właśnie, grafika wygenerowana z użyciem AI na podstawie materiałów U.S Department of Energy, Bosh Hydrogen Energy, Fraunhofer ISE.
Membrana wymiany protonów (PEM) jest cienka, zwarta i bardzo skutecznie oddziela przestrzeń anodową od katodowej. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wodoru o wysokiej czystości. Dodatkowo elektrolizery PEM mogą pracować przy wysokich gęstościach prądu, co oznacza, że z relatywnie niewielkiej powierzchni ogniwa można uzyskać dużą ilość wodoru. W praktyce pozwala to budować urządzenia bardziej kompaktowe niż tradycyjne układy alkaliczne.
Kolejną dużą zaletą elektrolizerów PEM jest ich szybka reakcja na zmiany obciążenia. To bardzo ważne w świecie odnawialnych źródeł energii. Energia z wiatru i słońca nie zawsze jest dostępna w tej samej ilości. Czasem produkcja prądu jest wysoka, a czasem spada. Elektrolizer PEM dobrze radzi sobie z taką zmiennością. Może stosunkowo szybko zwiększać lub zmniejszać swoją moc, dlatego często wskazuje się go jako technologię dobrze dopasowaną do współpracy z farmami wiatrowymi i instalacjami fotowoltaicznymi.
Budowa elektrolizera PEM jest jednak bardziej wymagająca. Skoro środowisko pracy jest kwaśne, a napięcia elektrochemiczne wysokie, materiały muszą być odporne na bardzo trudne warunki. Dlatego w elektrolizerach PEM często stosuje się drogie i rzadkie metale szlachetne. Po stronie katody wykorzystuje się katalizatory na bazie platyny, a po stronie anody materiały zawierające iryd lub jego związki. Elementy odpowiedzialne za doprowadzanie wody, odbiór gazów i przewodzenie prądu również muszą być odporne na korozję, dlatego często wykorzystuje się tytan.
To właśnie koszt materiałów jest jednym z największych wyzwań technologii PEM. Membrana, katalizatory i elementy tytanowe sprawiają, że taki elektrolizer jest zwykle droższy niż klasyczny elektrolizer alkaliczny. Oprócz kosztu ważna jest także trwałość. Membrana musi przez długi czas zachowywać swoje właściwości: przewodzić protony, rozdzielać gazy i wytrzymywać warunki pracy. Jeśli ulega degradacji, spada sprawność urządzenia i pogarsza się jakość procesu.
W technologii PEM bardzo istotna jest również jakość zasilającej wody. Elektrolizery PEM wymagają wody demineralizowanej, a najczęściej dejonizowanej, o bardzo wysokiej czystości. Nie można zasilać ich zwykłą wodą użytkową, ponieważ zawarte w niej sole, jony i inne zanieczyszczenia mogłyby uszkadzać membranę, obniżać aktywność katalizatorów oraz pogarszać parametry pracy całego układu. Z tego powodu w praktyce niezbędnym elementem instalacji PEM jest stacja demineralizacji wody, często określana po prostu jako stacja „demi”. To ona przygotowuje wodę o odpowiedniej jakości, bez której bezpieczna i trwała praca elektrolizera PEM nie byłaby możliwa.
Mimo tych ograniczeń technologia PEM rozwija się bardzo szybko. Jej zalety są szczególnie widoczne tam, gdzie potrzebny jest wodór wysokiej czystości, szybka reakcja systemu oraz kompaktowa konstrukcja. Elektrolizery PEM mogą być stosowane zarówno w mniejszych instalacjach, jak i w coraz większych projektach przemysłowych. Szczególnie dobrze pasują do koncepcji zielonego wodoru, czyli produkowanego z wykorzystaniem energii odnawialnej.
Rys. 2. Od pojedynczego ogniwa do instalacji przemysłowej PEM- uproszczony schemat produkcji wodoru. Źródło grafiki: opracowanie własne, grafika wygenerowana z użyciem AI. Źródło merytoryczne: U.S Department of Energy, Nel Hydrogen, Bosh Hydrogen Energy
Dla osoby, która zna już komórkę HHO, elektrolizer PEM pokazuje, jak daleko można rozwinąć ten sam podstawowy proces. W komórce HHO najważniejsze jest samo zjawisko: prąd przepływa przez wodę z elektrolitem, a na elektrodach powstają gazy. W elektrolizerze alkalicznym pojawia się już większa kontrola, rozdzielenie gazów i przemysłowa trwałość. W elektrolizerze PEM idziemy jeszcze krok dalej: proces staje się bardziej zwarty, precyzyjny i dynamiczny.
Największą siłą elektrolizerów PEM jest właśnie to połączenie precyzji i szybkości. Są technologią bardziej wymagającą materiałowo, ale oferują możliwości, które są bardzo cenne w nowoczesnej energetyce. W świecie, w którym coraz więcej energii pochodzi ze źródeł odnawialnych, umiejętność szybkiego przekształcania nadwyżek prądu w wodór staje się niezwykle ważna.
Wodór sam w sobie jest prostym pierwiastkiem, ale jego nowoczesna produkcja wymaga bardzo zaawansowanych rozwiązań. Elektrolizer PEM pokazuje to wyjątkowo dobrze. W jego centrum znajduje się cienka membrana, która dla oka może wydawać się niepozorna, a jednak decyduje o działaniu całego urządzenia. To właśnie ona sprawia, że protony mogą przejść tam, gdzie powinny, a gazy pozostają rozdzielone.
Jeśli elektrolizer alkaliczny można nazwać sprawdzonym fundamentem przemysłowej produkcji wodoru, to elektrolizer PEM jest jej nowoczesnym, dynamicznym sercem. Pracuje szybko, precyzyjnie i z dużą kontrolą nad procesem. Dzięki temu stanowi jeden z najważniejszych elementów rozwijającej się gospodarki wodorowej i pokazuje, że elektroliza wody może być nie tylko prostym doświadczeniem chemicznym, ale zaawansowaną technologią przyszłości istotną z punktu widzenia transformacji energetycznej.
Polecamy również poprzednieczęści materiałów z tego cyklu.
Źródła: 1. O’Hayre, Ryan – Fuel Cell Fundamentals 2. Newman, John; Thomas-Alyea, Karen E. – Electrochemical Systems 3. Millet, Pierre (red.) – Hydrogen Production by Water Electrolysis