Fremdrift og økonomisk analyse av teknologi for produksjon av elektrolytisk vann-hydrogen i protonbyttemembran (PEM)

I 1966 utviklet General Electric Company en vannelektrolysecelle basert på protonledningskonseptet, ved bruk av polymermembran som elektrolytt. PEM-celler ble kommersialisert av General Electric i 1978. For tiden produserer selskapet færre PEM-celler, hovedsakelig på grunn av begrenset hydrogenproduksjon, kort levetid og høye investeringskostnader. En PEM-celle har en bipolar struktur, og elektriske forbindelser mellom cellene gjøres gjennom bipolare plater, som spiller en viktig rolle i utladningen av de genererte gassene. Anoden, katoden og membrangruppen danner membranelektrodeenheten (MEA). Elektroden består vanligvis av edle metaller som platina eller iridium. Ved anoden oksideres vann for å produsere oksygen, elektroner og protoner. Ved katoden sirkulerer oksygenet, elektronene og protonene som produseres av anoden gjennom membranen til katoden, hvor de reduseres for å produsere hydrogengass. Prinsippet bak PEM-elektrolysøren er vist i figuren.

PEM-elektrolyseceller brukes vanligvis til småskala hydrogenproduksjon, med en maksimal hydrogenproduksjon på omtrent 30 Nm3/t og et strømforbruk på 174 kW. Sammenlignet med alkaliske celler dekker den faktiske hydrogenproduksjonshastigheten til PEM-celler nesten hele grenseområdet. PEM-cellen kan arbeide med en høyere strømtetthet enn den alkaliske cellen, helt opp til 1,6 A/cm2, og den elektrolytiske effektiviteten er 48 %–65 %. Fordi polymerfilmen ikke er motstandsdyktig mot høy temperatur, er temperaturen til den elektrolytiske cellen ofte under 80 °C. Hoeller elektrolyse har utviklet en optimalisert celleoverflateteknologi for små PEM-elektrolysører. Cellene kan designes i henhold til kravene, noe som reduserer mengden edle metaller og øker driftstrykket. Hovedfordelen med PEM-elektrolysører er at hydrogenproduksjonen endres nesten synkront med den tilførte energien, noe som er egnet for endringen i hydrogenbehovet. Hoeller-celler reagerer på 0–100 % endringer i belastningsvurderingen i løpet av sekunder. Hoellers patenterte teknologi gjennomgår valideringstester, og testanlegget vil være bygget innen utgangen av 2020.

Renheten til hydrogen produsert av PEM-celler kan være så høy som 99,99 %, noe som er høyere enn for alkaliske celler. I tillegg reduserer den ekstremt lave gasspermeabiliteten til polymermembranen risikoen for dannelse av brennbare blandinger, noe som gjør at elektrolysøren kan operere med ekstremt lave strømtettheter. Konduktiviteten til vannet som tilføres elektrolysøren må være mindre enn 1 S/cm. Fordi protontransport over polymermembranen reagerer raskt på effektvariasjoner, kan PEM-celler operere i forskjellige strømforsyningsmoduser. Selv om PEM-cellen har blitt kommersialisert, har den noen ulemper, hovedsakelig den høye investeringskostnaden og den høye prisen på både membran- og edelmetallbaserte elektroder. I tillegg er levetiden til PEM-celler kortere enn for alkaliske celler. I fremtiden må PEM-cellens kapasitet til å produsere hydrogen forbedres betraktelig.