في عام 1966، طورت شركة جنرال إلكتريك خلية التحليل الكهربائي للماء، معتمدةً على مبدأ توصيل البروتونات، باستخدام غشاء بوليمري كإلكتروليت. وقد طرحت جنرال إلكتريك خلايا PEM تجاريًا في عام 1978. وحاليًا، تُنتج الشركة عددًا أقل من خلايا PEM، ويعود ذلك أساسًا إلى محدودية إنتاجها للهيدروجين، وقصر عمرها، وارتفاع تكلفة الاستثمار فيها. تتكون خلية PEM من قطبين كهربائيين، وتُوصل بينهما صفائح ثنائية القطب، تلعب دورًا هامًا في تصريف الغازات المتولدة. يشكل المصعد والمهبط ومجموعة الغشاء وحدة تجميع قطب الغشاء (MEA). يتكون القطب عادةً من معادن ثمينة مثل البلاتين أو الإيريديوم. عند المصعد، يتأكسد الماء لإنتاج الأكسجين والإلكترونات والبروتونات. عند المهبط، تنتقل هذه المواد عبر الغشاء إلى المهبط، حيث تُختزل لإنتاج غاز الهيدروجين. يوضح الشكل مبدأ عمل محلل PEM الكهربائي.
تُستخدم خلايا التحليل الكهربائي PEM عادةً لإنتاج الهيدروجين على نطاق صغير، حيث يبلغ الحد الأقصى لإنتاج الهيدروجين حوالي 30 مترًا مكعبًا قياسيًا في الساعة، مع استهلاك طاقة يصل إلى 174 كيلوواط. وبالمقارنة مع الخلايا القلوية، فإن معدل إنتاج الهيدروجين الفعلي لخلايا PEM يغطي تقريبًا كامل نطاق الحد الأقصى. يمكن لخلايا PEM العمل بكثافة تيار أعلى من الخلايا القلوية، تصل إلى 1.6 أمبير/سم²، وتتراوح كفاءة التحليل الكهربائي بين 48% و65%. ونظرًا لأن طبقة البوليمر غير مقاومة لدرجات الحرارة العالية، فإن درجة حرارة خلية التحليل الكهربائي غالبًا ما تكون أقل من 80 درجة مئوية. وقد طورت شركة Hoeller تقنية مُحسَّنة لسطح الخلية لأجهزة التحليل الكهربائي PEM الصغيرة. يمكن تصميم الخلايا وفقًا للمتطلبات، مما يقلل من كمية المعادن الثمينة ويزيد من ضغط التشغيل. وتتمثل الميزة الرئيسية لأجهزة التحليل الكهربائي PEM في أن إنتاج الهيدروجين يتغير بشكل شبه متزامن مع الطاقة المُزوَّدة، مما يجعلها مناسبة لتغير الطلب على الهيدروجين. تستجيب خلايا Hoeller لتغيرات الحمل من 0 إلى 100% في غضون ثوانٍ. تخضع تقنية هويلر الحاصلة على براءة اختراع لاختبارات التحقق، وسيتم بناء منشأة الاختبار بحلول نهاية عام 2020.
تصل نقاوة الهيدروجين المُنتَج بواسطة خلايا PEM إلى 99.99%، وهي أعلى من نقاوة الهيدروجين المُنتَج بواسطة الخلايا القلوية. إضافةً إلى ذلك، فإن نفاذية الغاز المنخفضة للغاية للغشاء البوليمري تُقلل من خطر تكوّن مخاليط قابلة للاشتعال، مما يسمح للمحلل الكهربائي بالعمل بكثافات تيار منخفضة للغاية. يجب ألا تتجاوز موصلية الماء المُزوَّد للمحلل الكهربائي 1 سيمنز/سم. ولأن نقل البروتونات عبر الغشاء البوليمري يستجيب بسرعة لتقلبات الطاقة، يُمكن لخلايا PEM العمل في أوضاع إمداد طاقة مختلفة. على الرغم من تسويق خلية PEM تجاريًا، إلا أنها تُعاني من بعض العيوب، أبرزها ارتفاع تكلفة الاستثمار وارتفاع تكلفة كلٍّ من الغشاء والأقطاب الكهربائية المصنوعة من المعادن النفيسة. علاوةً على ذلك، فإن عمر خلايا PEM أقصر من عمر الخلايا القلوية. في المستقبل، يجب تحسين قدرة خلية PEM على إنتاج الهيدروجين بشكل كبير.
تاريخ النشر: 2 فبراير 2023