Vuonna 1966 General Electric Company kehitti protonijohtavuuskonseptiin perustuvan vesielektrolyysikennon, jossa elektrolyyttinä käytettiin polymeerikalvoa. General Electric kaupallisti PEM-kennot vuonna 1978. Tällä hetkellä yritys tuottaa vähemmän PEM-kennoja pääasiassa rajoitetun vedyntuotannon, lyhyen käyttöiän ja korkeiden investointikustannusten vuoksi. PEM-kennossa on bipolaarinen rakenne, ja kennojen väliset sähköiset yhteydet tehdään bipolaaristen levyjen kautta, joilla on tärkeä rooli syntyvien kaasujen purkamisessa. Anodi, katodi ja kalvoryhmä muodostavat kalvoelektrodikokoonpanon (MEA). Elektrodi koostuu yleensä jalometalleista, kuten platinasta tai iridiumista. Anodilla vesi hapettuu, jolloin muodostuu happea, elektroneja ja protoneja. Katodilla anodin tuottamat happi, elektronit ja protonit kiertävät kalvon läpi katodiin, jossa ne pelkistyvät, jolloin muodostuu vetykaasua. PEM-elektrolysaattorin periaate on esitetty kuvassa.
PEM-elektrolyysikennoja käytetään yleensä pienimuotoiseen vedyn tuotantoon, ja niiden maksimivedyn tuotanto on noin 30 Nm3/h ja tehonkulutus 174 kW. Alkalikennoihin verrattuna PEM-kennon todellinen vedyn tuotantonopeus kattaa lähes koko alueen. PEM-kenno voi toimia suuremmalla virrantiheydellä kuin alkalikenno, jopa 1,6 A/cm2, ja elektrolyyttinen hyötysuhde on 48–65 %. Koska polymeerikalvo ei kestä korkeita lämpötiloja, elektrolyysikennon lämpötila on usein alle 80 °C. Hoeller electrolyzer on kehittänyt optimoidun kennopintatekniikan pienille PEM-elektrolyysilaitteille. Kennot voidaan suunnitella vaatimusten mukaisesti, mikä vähentää jalometallien määrää ja lisää käyttöpainetta. PEM-elektrolyysilaitteen tärkein etu on, että vedyn tuotanto muuttuu lähes synkronoidusti syötetyn energian kanssa, mikä soveltuu vedyn kysynnän muutoksiin. Hoeller-kennot reagoivat 0–100 %:n kuormitusmuutoksiin sekunneissa. Hoellerin patentoitu teknologia on validointitestauksessa, ja testauslaitos rakennetaan vuoden 2020 loppuun mennessä.
PEM-kennojen tuottaman vedyn puhtaus voi olla jopa 99,99 %, mikä on korkeampi kuin alkalikennoissa. Lisäksi polymeerikalvon erittäin alhainen kaasunläpäisevyys vähentää syttyvien seosten muodostumisriskiä, jolloin elektrolyysilaite voi toimia erittäin pienillä virrantiheyksillä. Elektrolyysilaitteeseen syötettävän veden johtavuuden on oltava alle 1 S/cm. Koska protonien kuljetus polymeerikalvon läpi reagoi nopeasti tehonvaihteluihin, PEM-kennot voivat toimia erilaisilla virransyöttötiloissa. Vaikka PEM-kenno on kaupallistettu, sillä on joitakin haittoja, pääasiassa korkeat investointikustannukset ja sekä kalvon että jalometallipohjaisten elektrodien korkea hinta. Lisäksi PEM-kennojen käyttöikä on lyhyempi kuin alkalikennoissa. Tulevaisuudessa PEM-kennojen vedyntuotantokykyä on parannettava huomattavasti.
Julkaisun aika: 02.02.2023