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 da 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 le connessioni elettriche tra le celle sono realizzate tramite piastre bipolari, che svolgono un ruolo importante nello scarico dei gas generati. L'anodo, il catodo e il gruppo membrana formano il gruppo elettrodo-membrana (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 dell'elettrolizzatore PEM è illustrato in figura.
Le celle elettrolitiche PEM sono solitamente utilizzate per la produzione di idrogeno su piccola scala, con una produzione massima di idrogeno 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 con una densità di corrente superiore a quella delle celle alcaline, anche fino a 1,6 A/cm², e l'efficienza elettrolitica è del 48%-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 cellulare 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 vantaggio principale degli elettrolizzatori PEM è che la produzione di idrogeno varia quasi in sincronia con l'energia fornita, il che è adatto alle variazioni della domanda di idrogeno. Le celle Hoeller rispondono a variazioni del carico nominale dallo 0 al 100% in pochi secondi. La tecnologia brevettata di Hoeller è in fase di test di convalida e la struttura di prova sarà costruita 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 funzionare a densità di corrente estremamente basse. La conduttività dell'acqua fornita all'elettrolizzatore deve essere inferiore a 1 S/cm. Poiché il trasporto protonico attraverso la membrana polimerica risponde rapidamente alle fluttuazioni di potenza, le celle PEM possono funzionare con diverse modalità di alimentazione. Sebbene le celle PEM siano state commercializzate, presentano alcuni svantaggi, principalmente l'elevato costo di investimento e l'elevato costo sia della membrana che degli elettrodi a base di metalli preziosi. Inoltre, la durata utile delle celle PEM è inferiore a quella delle celle alcaline. In futuro, la capacità delle celle PEM di produrre idrogeno dovrà essere notevolmente migliorata.
Data di pubblicazione: 02-02-2023