1966年、ゼネラル・エレクトリック社は、高分子膜を電解質として用いたプロトン伝導のコンセプトに基づく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セルの生産量を減少させていますが、その主な理由は水素生産量が限られていること、寿命が短いこと、投資コストが高いことです。PEMセルは双極構造で、セル間の電気的接続は双極プレートによって行われ、発生したガスを排出する際に重要な役割を果たします。陽極、陰極、膜グループは膜電極接合体（MEA）を形成します。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、陽子が生成されます。陰極では、陽極で生成された酸素、電子、陽子が膜を通過して陰極に循環し、そこで還元されて水素ガスが生成されます。PEM電解装置の原理を図に示します。
PEM電解セルは通常、小規模の水素製造に使用され、最大水素生産量は約30Nm3/h、消費電力は174kWです。アルカリ電池と比較して、PEMセルの実際の水素生産率はほぼ全限界範囲をカバーしています。PEMセルは、アルカリ電池よりも高い電流密度（最大1.6A/cm2）で動作でき、電解効率は48％～65％です。ポリマーフィルムは高温に耐えられないため、電解セルの温度は80℃未満になることがよくあります。Hoeller電解装置は、小型PEM電解装置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、動作圧力を高めます。PEM電解装置の主な利点は、水素生産量が供給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応答します。 Hoeller 社の特許技術は現在検証テスト中であり、テスト施設は 2020 年末までに建設される予定です。
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し、電解装置を極めて低い電流密度で動作させることができる。電解装置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動作することができる。PEMセルは商用化されているが、主に投資コストが高く、膜と貴金属ベースの電極の両方に高い費用がかかるという欠点もある。さらに、PEMセルの耐用年数はアルカリセルよりも短い。将来的には、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