В 1966 году компания General Electric разработала водный электролитический элемент, основанный на концепции протонной проводимости, с использованием полимерной мембраны в качестве электролита. Элементы PEM были коммерциализированы компанией General Electric в 1978 году. В настоящее время компания производит меньше элементов PEM, в основном из-за ограниченного производства водорода, короткого срока службы и высоких инвестиционных затрат. Элемент PEM имеет биполярную структуру, а электрические соединения между элементами осуществляются через биполярные пластины, которые играют важную роль в разрядке образующихся газов. Анод, катод и мембранная группа образуют мембранно-электродный узел (MEA). Электрод обычно состоит из драгоценных металлов, таких как платина или иридий. На аноде вода окисляется с образованием кислорода, электронов и протонов. На катоде кислород, электроны и протоны, произведенные анодом, циркулируют через мембрану к катоду, где они восстанавливаются с образованием газообразного водорода. Принцип работы электролизера PEM показан на рисунке.
Электролитические ячейки PEM обычно используются для мелкомасштабного производства водорода с максимальным производством водорода около 30 Нм3/ч и потребляемой мощностью 174 кВт. По сравнению со щелочными ячейками фактическая скорость производства водорода ячейкой PEM почти охватывает весь предельный диапазон. Ячейка PEM может работать при более высокой плотности тока, чем щелочная ячейка, даже до 1,6 А/см2, а электролитическая эффективность составляет 48% -65%. Поскольку полимерная пленка не устойчива к высоким температурам, температура электролитической ячейки часто ниже 80 °C. Компания Hoeller electrolyzer разработала оптимизированную технологию поверхности ячейки для небольших электролизеров PEM. Ячейки можно проектировать в соответствии с требованиями, уменьшая количество драгоценных металлов и увеличивая рабочее давление. Главное преимущество электролизера PEM заключается в том, что производство водорода изменяется почти синхронно с подаваемой энергией, что подходит для изменения потребности в водороде. Ячейки Hoeller реагируют на изменения номинальной нагрузки 0-100% за считанные секунды. Запатентованная технология компании Hoeller проходит проверочные испытания, а испытательный стенд будет построен к концу 2020 года.
Чистота водорода, вырабатываемого ячейками PEM, может достигать 99,99%, что выше, чем у щелочных ячеек. Кроме того, чрезвычайно низкая газопроницаемость полимерной мембраны снижает риск образования горючих смесей, позволяя электролизеру работать при чрезвычайно низких плотностях тока. Проводимость воды, подаваемой в электролизер, должна быть менее 1См/см. Поскольку транспорт протонов через полимерную мембрану быстро реагирует на колебания мощности, ячейки PEM могут работать в различных режимах электропитания. Хотя ячейка PEM была коммерциализирована, у нее есть некоторые недостатки, в основном высокие инвестиционные затраты и высокая стоимость как мембраны, так и электродов на основе драгоценных металлов. Кроме того, срок службы ячеек PEM короче, чем у щелочных ячеек. В будущем необходимо значительно улучшить способность ячеек PEM вырабатывать водород.
Время публикации: 02.02.2023