Nel 1966, la General Electric Company sviluppò una cella elettrolitica ad acqua basata sul concetto di conduzione protonica, utilizzando una membrana polimerica come elettrolita. Le celle PEM furono commercializzate dalla General Electric nel 1978. Attualmente, l'azienda produce un numero inferiore di celle PEM, principalmente a causa della limitata produzione di idrogeno, della breve durata e degli elevati costi di investimento. Una cella PEM ha una struttura bipolare e i collegamenti elettrici tra le celle avvengono tramite piastre bipolari, che svolgono un ruolo importante nello scarico dei gas generati. L'anodo, il catodo e il gruppo membrana-elettrodo formano l'assemblaggio membrana-elettrodo (MEA). L'elettrodo è solitamente composto da metalli preziosi come platino o iridio. All'anodo, l'acqua viene ossidata per produrre ossigeno, elettroni e protoni. Al catodo, l'ossigeno, gli elettroni e i protoni prodotti dall'anodo circolano attraverso la membrana fino al catodo, dove vengono ridotti per produrre idrogeno gassoso. Il principio di funzionamento di un elettrolizzatore PEM è illustrato nella figura.
Le celle elettrolitiche PEM sono generalmente utilizzate per la produzione di idrogeno su piccola scala, con una produzione massima di circa 30 Nm³/h e un consumo energetico di 174 kW. Rispetto alle celle alcaline, la velocità di produzione effettiva di idrogeno delle celle PEM copre quasi l'intero intervallo limite. Le celle PEM possono funzionare a una densità di corrente A superiore rispetto alle celle alcaline, anche fino a 1,6 A/cm², e l'efficienza elettrolitica è compresa tra il 48% e il 65%. Poiché il film polimerico non è resistente alle alte temperature, la temperatura della cella elettrolitica è spesso inferiore a 80 °C. Hoeller Electrolyzer ha sviluppato una tecnologia di superficie delle celle ottimizzata per piccoli elettrolizzatori PEM. Le celle possono essere progettate in base alle esigenze, riducendo la quantità di metalli preziosi e aumentando la pressione di esercizio. Il principale vantaggio degli elettrolizzatori PEM è che la produzione di idrogeno varia quasi in modo sincrono con l'energia fornita, il che li rende adatti alle variazioni della domanda di idrogeno. Le celle Hoeller rispondono a variazioni di carico dallo 0% al 100% in pochi secondi. La tecnologia brevettata di Hoeller è attualmente in fase di test di validazione e l'impianto di prova sarà costruito entro la fine del 2020.
La purezza dell'idrogeno prodotto dalle celle PEM può raggiungere il 99,99%, un valore superiore a quello delle celle alcaline. Inoltre, la bassissima permeabilità ai gas della membrana polimerica riduce il rischio di formazione di miscele infiammabili, consentendo all'elettrolizzatore di operare a densità di corrente estremamente basse. La conduttività dell'acqua fornita all'elettrolizzatore deve essere inferiore a 1 S/cm. Poiché il trasporto di protoni attraverso la membrana polimerica risponde rapidamente alle fluttuazioni di potenza, le celle PEM possono funzionare in diverse modalità di alimentazione. Nonostante la commercializzazione, le celle PEM presentano alcuni svantaggi, principalmente l'elevato costo di investimento e l'alto costo sia della membrana che degli elettrodi a base di metalli preziosi. Inoltre, la durata di vita delle celle PEM è inferiore a quella delle celle alcaline. In futuro, sarà necessario migliorare significativamente la capacità di produzione di idrogeno delle celle PEM.
Data di pubblicazione: 2 febbraio 2023