W 1966 roku firma General Electric opracowała ogniwo elektrolityczne wykorzystujące technologię przewodzenia protonów, wykorzystujące membranę polimerową jako elektrolit. Ogniwa PEM zostały skomercjalizowane przez General Electric w 1978 roku. Obecnie firma produkuje mniej ogniw PEM, głównie ze względu na ograniczoną produkcję wodoru, krótką żywotność i wysokie koszty inwestycyjne. Ogniwo PEM ma strukturę bipolarną, a połączenia elektryczne między ogniwami są realizowane za pomocą płyt bipolarnych, które odgrywają ważną rolę w odprowadzaniu wytworzonych gazów. Anoda, katoda i grupa membran tworzą zespół elektrod membranowych (MEA). Elektroda jest zazwyczaj wykonana z metali szlachetnych, takich jak platyna lub iryd. Na anodzie woda jest utleniana, wytwarzając tlen, elektrony i protony. Na katodzie tlen, elektrony i protony wytworzone przez anodę krążą przez membranę do katody, gdzie ulegają redukcji, wytwarzając wodór. Zasada działania elektrolizera PEM jest przedstawiona na rysunku.
Ogniwa elektrolityczne PEM są zazwyczaj używane do produkcji wodoru na małą skalę, z maksymalną produkcją wodoru około 30 Nm3/h i poborem mocy 174 kW. W porównaniu z ogniwem alkalicznym, rzeczywista szybkość produkcji wodoru ogniwa PEM prawie pokrywa cały zakres graniczny. Ogniwo PEM może pracować przy wyższej gęstości prądu niż ogniwo alkaliczne, nawet do 1,6 A/cm2, a sprawność elektrolityczna wynosi 48%-65%. Ponieważ powłoka polimerowa nie jest odporna na wysoką temperaturę, temperatura ogniwa elektrolitycznego często wynosi poniżej 80°C. Firma Hoeller Electrolyzer opracowała zoptymalizowaną technologię powierzchni ogniwa dla małych elektrolizerów PEM. Ogniwa mogą być zaprojektowane zgodnie z wymaganiami, zmniejszając ilość metali szlachetnych i zwiększając ciśnienie robocze. Główną zaletą elektrolizera PEM jest to, że produkcja wodoru zmienia się niemal synchronicznie z dostarczaną energią, co jest odpowiednie do zmian zapotrzebowania na wodór. Ogniwa Hoeller reagują na zmiany obciążenia znamionowego w zakresie 0-100% w ciągu sekund. Opatentowana technologia firmy Hoeller przechodzi obecnie testy walidacyjne, a obiekt testowy zostanie zbudowany do końca 2020 roku.
Czystość wodoru wytwarzanego przez ogniwa PEM może sięgać nawet 99,99%, co jest wartością wyższą niż w przypadku ogniw alkalicznych. Ponadto, wyjątkowo niska przepuszczalność gazów przez membranę polimerową zmniejsza ryzyko tworzenia się łatwopalnych mieszanin, umożliwiając elektrolizerowi pracę przy wyjątkowo niskich gęstościach prądu. Przewodność wody dostarczanej do elektrolizera musi być mniejsza niż 1S/cm. Ponieważ transport protonów przez membranę polimerową szybko reaguje na wahania mocy, ogniwa PEM mogą pracować w różnych trybach zasilania. Chociaż ogniwo PEM zostało wprowadzone na rynek, ma pewne wady, głównie wysokie koszty inwestycyjne oraz wysoki koszt membrany i elektrod na bazie metali szlachetnych. Ponadto żywotność ogniw PEM jest krótsza niż ogniw alkalicznych. W przyszłości zdolność ogniw PEM do produkcji wodoru musi zostać znacznie zwiększona.
Czas publikacji: 02-02-2023