In 1966 ontwikkelde General Electric Company een waterelektrolysecel gebaseerd op het protongeleidingsprincipe, waarbij een polymeermembraan als elektrolyt werd gebruikt. PEM-cellen werden in 1978 door General Electric op de markt gebracht. Momenteel produceert het bedrijf minder PEM-cellen, voornamelijk vanwege de beperkte waterstofproductie, de korte levensduur en de hoge investeringskosten. Een PEM-cel heeft een bipolaire structuur en de elektrische verbindingen tussen de cellen worden gemaakt via bipolaire platen, die een belangrijke rol spelen bij de afvoer van de geproduceerde gassen. De anode, kathode en membraangroep vormen de membraanelektrode-assemblage (MEA). De elektrode is meestal samengesteld uit edelmetalen zoals platina of iridium. Aan de anode wordt water geoxideerd tot zuurstof, elektronen en protonen. Aan de kathode circuleren de door de anode geproduceerde zuurstof, elektronen en protonen door het membraan naar de kathode, waar ze worden gereduceerd tot waterstofgas. Het principe van een PEM-elektrolyzer wordt in de afbeelding weergegeven.
PEM-elektrolysecellen worden doorgaans gebruikt voor kleinschalige waterstofproductie, met een maximale waterstofproductie van ongeveer 30 Nm³/u en een energieverbruik van 174 kW. In vergelijking met alkalinecellen bestrijkt de werkelijke waterstofproductiesnelheid van PEM-cellen vrijwel het gehele limietbereik. De PEM-cel kan werken met een hogere stroomdichtheid dan de alkalinecel, zelfs tot 1,6 A/cm², en het elektrolytische rendement ligt tussen 48% en 65%. Omdat de polymeerfilm niet bestand is tegen hoge temperaturen, blijft de temperatuur van de elektrolysecel vaak onder de 80 °C. Hoeller Electrolyzer heeft een geoptimaliseerde celoppervlaktetechnologie ontwikkeld voor kleine PEM-elektrolyzers. De cellen kunnen worden ontworpen volgens de specifieke eisen, waardoor de hoeveelheid edelmetalen wordt verminderd en de werkdruk wordt verhoogd. Het belangrijkste voordeel van PEM-elektrolyzers is dat de waterstofproductie vrijwel synchroon verandert met de geleverde energie, wat geschikt is voor de veranderende waterstofvraag. Hoeller-cellen reageren binnen enkele seconden op veranderingen in de belasting van 0-100%. De gepatenteerde technologie van Hoeller ondergaat momenteel validatietests en de testfaciliteit zal eind 2020 gereed zijn.
De zuiverheid van waterstof geproduceerd door PEM-cellen kan oplopen tot 99,99%, wat hoger is dan die van alkalinecellen. Bovendien vermindert de extreem lage gasdoorlaatbaarheid van het polymeermembraan het risico op de vorming van ontvlambare mengsels, waardoor de elektrolyzer bij zeer lage stroomdichtheden kan werken. De geleidbaarheid van het water dat aan de elektrolyzer wordt toegevoerd, moet lager zijn dan 1 S/cm. Omdat protonentransport door het polymeermembraan snel reageert op stroomschommelingen, kunnen PEM-cellen in verschillende voedingsmodi werken. Hoewel de PEM-cel commercieel verkrijgbaar is, kent deze enkele nadelen, met name de hoge investeringskosten en de hoge kosten van zowel het membraan als de elektroden op basis van edelmetaal. Daarnaast is de levensduur van PEM-cellen korter dan die van alkalinecellen. In de toekomst moet de capaciteit van PEM-cellen voor waterstofproductie aanzienlijk worden verbeterd.
Geplaatst op: 2 februari 2023