1966年、ゼネラル・エレクトリック社は、プロトン伝導の概念に基づき、ポリマー膜を電解質として用いた水電解セルを開発しました。PEMセルは1978年にゼネラル・エレクトリック社によって商品化されました。現在、同社はPEMセルの生産量を減らしていますが、これは主に水素生成量の制限、寿命の短さ、および投資コストの高さが原因です。PEMセルは双極構造であり、セル間の電気的接続は双極板を介して行われ、この双極板は生成されたガスの放電に重要な役割を果たします。陽極、陰極、および膜群は膜電極接合体（MEA）を構成します。電極は通常、白金やイリジウムなどの貴金属で構成されています。陽極では、水が酸化されて酸素、電子、およびプロトンが生成されます。陰極では、陽極で生成された酸素、電子、およびプロトンが膜を通って陰極に循環し、そこで還元されて水素ガスが生成されます。PEM電解槽の原理を図に示します。
PEM電解セルは通常、小規模水素製造に使用され、最大水素製造量は約30Nm3/h、消費電力は174kWです。アルカリセルと比較すると、PEMセルの実際の水素製造速度はほぼ全限界範囲をカバーしています。PEMセルはアルカリセルよりも高い電流密度で動作でき、最大1.6A/cm2まで動作可能で、電解効率は48%～65%です。ポリマーフィルムは高温に耐性がないため、電解セルの温度は80℃以下になることがよくあります。Hoeller電解槽は、小型PEM電解槽向けに最適化されたセル表面技術を開発しました。セルは要件に応じて設計でき、貴金属の量を減らし、動作圧力を上げることができます。PEM電解槽の主な利点は、水素製造量が供給されるエネルギーとほぼ同期して変化し、水素需要の変化に適していることです。Hoellerセルは、0～100%の負荷定格の変化に数秒で対応します。ホーラー社の特許技術は現在検証試験中で、試験施設は2020年末までに建設される予定だ。
PEMセルで生成される水素の純度は99.99%にも達し、アルカリセルよりも高い。さらに、ポリマー膜の極めて低いガス透過性により、可燃性混合物の形成リスクが低減され、電解槽を極めて低い電流密度で運転することが可能となる。電解槽に供給される水の導電率は1S/cm未満でなければならない。ポリマー膜を介したプロトン輸送は電力変動に迅速に反応するため、PEMセルはさまざまな電源モードで運転できる。PEMセルは既に実用化されているものの、主な欠点として、初期投資コストの高さ、膜および貴金属電極の高コストが挙げられる。また、PEMセルの耐用年数はアルカリセルよりも短い。今後は、PEMセルの水素生成能力を大幅に向上させる必要がある。
投稿日時：2023年2月2日