In 1966 ontwikkelde General Electric Company een waterelektrolytische cel gebaseerd op het protongeleidingsconcept, waarbij een polymeermembraan als elektrolyt werd gebruikt. PEM-cellen werden in 1978 door General Electric op de markt gebracht. Tegenwoordig 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 elektrische verbindingen tussen de cellen worden gemaakt via bipolaire platen, die een belangrijke rol spelen bij de afvoer van de gegenereerde gassen. De anode, kathode en membraangroep vormen de membraanelektrode-eenheid (MEA). De elektrode bestaat meestal 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 de PEM-elektrolyser wordt weergegeven in de afbeelding.
PEM-elektrolytische cellen worden meestal gebruikt voor waterstofproductie op kleine schaal, met een maximale waterstofproductie van ongeveer 30 Nm³/u en een stroomverbruik van 174 kW. Vergeleken met alkalische cellen bestrijkt de werkelijke waterstofproductiesnelheid van PEM-cellen bijna het volledige grensbereik. De PEM-cel kan werken met een hogere stroomdichtheid dan de alkalische cel, zelfs tot 1,6 A/cm², en de elektrolytische efficiëntie is 48%-65%. Omdat de polymeerfilm niet bestand is tegen hoge temperaturen, ligt de temperatuur van de elektrolytische cel vaak onder de 80 °C. Hoeller-elektrolyzers hebben een geoptimaliseerde celoppervlaktechnologie ontwikkeld voor kleine PEM-elektrolyzers. De cellen kunnen worden ontworpen volgens de vereisten, 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 tegen eind 2020 gereed zijn.
De zuiverheid van waterstof geproduceerd door PEM-cellen kan oplopen tot 99,99%, wat hoger is dan die van alkalische cellen. Bovendien vermindert de extreem lage gaspermeabiliteit van het polymeermembraan het risico op de vorming van ontvlambare mengsels, waardoor de elektrolyser met extreem lage stroomdichtheden kan werken. De geleidbaarheid van het aan de elektrolyser toegevoerde water moet minder dan 1 S/cm zijn. Omdat het protonentransport door het polymeermembraan snel reageert op vermogensschommelingen, kunnen PEM-cellen in verschillende voedingsmodi werken. Hoewel de PEM-cel gecommercialiseerd is, heeft deze enkele nadelen, met name de hoge investeringskosten en de hoge kosten van zowel membraan- als edelmetaalelektroden. Bovendien is de levensduur van PEM-cellen korter dan die van alkalische cellen. In de toekomst moet de capaciteit van PEM-cellen om waterstof te produceren aanzienlijk worden verbeterd.
Plaatsingstijd: 02-02-2023