Το 1966, η General Electric Company ανέπτυξε ηλεκτρολυτικό στοιχείο νερού βασισμένο στην έννοια της αγωγιμότητας πρωτονίων, χρησιμοποιώντας πολυμερική μεμβράνη ως ηλεκτρολύτη. Τα στοιχεία PEM κυκλοφόρησαν στο εμπόριο από την General Electric το 1978. Σήμερα, η εταιρεία παράγει λιγότερα στοιχεία PEM, κυρίως λόγω της περιορισμένης παραγωγής υδρογόνου, της μικρής διάρκειας ζωής και του υψηλού κόστους επένδυσης. Ένα στοιχείο PEM έχει διπολική δομή και οι ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των στοιχείων πραγματοποιούνται μέσω διπολικών πλακών, οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση των παραγόμενων αερίων. Η άνοδος, η κάθοδος και η ομάδα μεμβράνης σχηματίζουν το συγκρότημα ηλεκτροδίων μεμβράνης (MEA). Το ηλεκτρόδιο αποτελείται συνήθως από πολύτιμα μέταλλα όπως η πλατίνα ή το ιρίδιο. Στην άνοδο, το νερό οξειδώνεται για να παράγει οξυγόνο, ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Στην κάθοδο, το οξυγόνο, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια που παράγονται από την άνοδο κυκλοφορούν μέσω της μεμβράνης στην κάθοδο, όπου ανάγονται για να παράγουν αέριο υδρογόνο. Η αρχή του ηλεκτρολύτη PEM φαίνεται στο σχήμα.
Τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία PEM χρησιμοποιούνται συνήθως για παραγωγή υδρογόνου μικρής κλίμακας, με μέγιστη παραγωγή υδρογόνου περίπου 30Nm3/h και κατανάλωση ενέργειας 174kW. Σε σύγκριση με τα αλκαλικά στοιχεία, ο πραγματικός ρυθμός παραγωγής υδρογόνου των στοιχείων PEM καλύπτει σχεδόν ολόκληρο το εύρος ορίων. Τα στοιχεία PEM μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος από τα αλκαλικά στοιχεία, ακόμη και έως 1,6A/cm2, και η ηλεκτρολυτική απόδοση είναι 48%-65%. Επειδή η πολυμερική μεμβράνη δεν είναι ανθεκτική σε υψηλή θερμοκρασία, η θερμοκρασία των ηλεκτρολυτικών στοιχείων είναι συχνά κάτω από 80°C. Η Hoeller electrolyzer έχει αναπτύξει μια βελτιστοποιημένη τεχνολογία επιφάνειας στοιχείων για μικρούς ηλεκτρολύτες PEM. Τα στοιχεία μπορούν να σχεδιαστούν σύμφωνα με τις απαιτήσεις, μειώνοντας την ποσότητα πολύτιμων μετάλλων και αυξάνοντας την πίεση λειτουργίας. Το κύριο πλεονέκτημα των ηλεκτρολυτών PEM είναι ότι η παραγωγή υδρογόνου αλλάζει σχεδόν ταυτόχρονα με την παρεχόμενη ενέργεια, η οποία είναι κατάλληλη για την αλλαγή της ζήτησης υδρογόνου. Τα στοιχεία Hoeller ανταποκρίνονται σε αλλαγές φορτίου 0-100% σε δευτερόλεπτα. Η κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τεχνολογία της Hoeller υποβάλλεται σε δοκιμές επικύρωσης και η εγκατάσταση δοκιμών θα κατασκευαστεί μέχρι το τέλος του 2020.
Η καθαρότητα του υδρογόνου που παράγεται από τα στοιχεία PEM μπορεί να φτάσει έως και το 99,99%, ποσοστό υψηλότερο από αυτό των αλκαλικών στοιχείων. Επιπλέον, η εξαιρετικά χαμηλή διαπερατότητα αερίου της πολυμερικής μεμβράνης μειώνει τον κίνδυνο σχηματισμού εύφλεκτων μειγμάτων, επιτρέποντας στον ηλεκτρολύτη να λειτουργεί σε εξαιρετικά χαμηλές πυκνότητες ρεύματος. Η αγωγιμότητα του νερού που παρέχεται στον ηλεκτρολύτη πρέπει να είναι μικρότερη από 1S/cm. Επειδή η μεταφορά πρωτονίων διαμέσου της πολυμερικής μεμβράνης ανταποκρίνεται γρήγορα στις διακυμάνσεις της ισχύος, τα στοιχεία PEM μπορούν να λειτουργούν σε διαφορετικούς τρόπους τροφοδοσίας. Παρόλο που το στοιχείο PEM έχει εμπορευματοποιηθεί, έχει ορισμένα μειονεκτήματα, κυρίως το υψηλό κόστος επένδυσης και το υψηλό κόστος τόσο των ηλεκτροδίων μεμβράνης όσο και των ηλεκτροδίων με βάση πολύτιμα μέταλλα. Επιπλέον, η διάρκεια ζωής των στοιχείων PEM είναι μικρότερη από αυτή των αλκαλικών στοιχείων. Στο μέλλον, η ικανότητα του στοιχείου PEM να παράγει υδρογόνο πρέπει να βελτιωθεί σημαντικά.
Ώρα δημοσίευσης: 02 Φεβρουαρίου 2023