W 1966 roku General Electric Company opracowało ogniwo elektrolityczne wodne oparte na koncepcji przewodnictwa protonów, wykorzystujące membranę polimerową jako elektrolit. Ogniwa PEM zostały skomercjalizowane przez General Electric w 1978 roku. Obecnie firma produkuje mniej ogniw PEM, głównie z powodu ograniczonej produkcji wodoru, krótkiej żywotności i wysokich kosztów inwestycyjnych. Ogniwo PEM ma strukturę bipolarną, a połączenia elektryczne między ogniwami są wykonywane za pomocą płyt bipolarnych, które odgrywają ważną rolę w odprowadzaniu wytworzonych gazów. Anoda, katoda i grupa membran tworzą zespół elektrod membranowych (MEA). Elektroda jest zwykle złożona z metali szlachetnych, takich jak platyna lub iryd. Na anodzie woda jest utleniana w celu wytworzenia tlenu, elektronów i protonów. Na katodzie tlen, elektrony i protony wytworzone przez anodę krążą przez membranę do katody, gdzie są redukowane w celu wytworzenia gazu wodorowego. Zasada działania elektrolizera PEM jest pokazana na rysunku.
Ogniwa elektrolityczne PEM są zwykle 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 wydajność elektrolityczna wynosi 48%-65%. Ponieważ powłoka polimerowa nie jest odporna na wysoką temperaturę, temperatura ogniwa elektrolitycznego często wynosi poniżej 80°C. Hoeller electrolyzer opracował 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 zmiany zapotrzebowania na wodór. Ogniwa Hoeller reagują na zmiany obciążenia znamionowego 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 wynosić nawet 99,99%, co jest wartością wyższą niż w przypadku ogniw alkalicznych. Ponadto niezwykle niska przepuszczalność gazów przez membranę polimerową zmniejsza ryzyko tworzenia łatwopalnych mieszanin, co pozwala elektrolizerowi pracować przy niezwykle 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 i wysoki koszt zarówno membrany, jak i elektrod na bazie metali szlachetnych. Ponadto żywotność ogniw PEM jest krótsza niż żywotność ogniw alkalicznych. W przyszłości zdolność ogniwa PEM do produkcji wodoru musi zostać znacznie zwiększona.
Czas publikacji: 02-02-2023