В 1966 году компания General Electric разработала электролитический элемент для воды, основанный на концепции протонной проводимости, с использованием полимерной мембраны в качестве электролита. Электролитические элементы с протонно-обменной мембраной (PEM) были коммерциализированы компанией General Electric в 1978 году. В настоящее время компания производит меньше PEM-элементов, главным образом из-за ограниченного производства водорода, короткого срока службы и высоких инвестиционных затрат. PEM-элемент имеет биполярную структуру, а электрические соединения между элементами осуществляются через биполярные пластины, которые играют важную роль в отводе образующихся газов. Анод, катод и мембранная группа образуют мембранно-электродный блок (МЭБ). 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, образующиеся на аноде, циркулируют через мембрану к катоду, где они восстанавливаются с образованием водорода. Принцип работы PEM-электролизера показан на рисунке.
Электролитические ячейки с протонно-обменной мембраной (PEM) обычно используются для мелкомасштабного производства водорода, обеспечивая максимальную производительность около 30 Нм³/ч и потребляемую мощность 174 кВт. По сравнению со щелочными ячейками, фактическая скорость производства водорода в ячейках PEM практически охватывает весь диапазон предельных значений. Ячейки PEM могут работать при более высокой плотности тока, чем щелочные ячейки, достигая даже 1,6 А/см², а эффективность электролиза составляет 48–65%. Поскольку полимерная пленка не устойчива к высоким температурам, температура электролитической ячейки часто ниже 80 °C. Компания Hoeller разработала оптимизированную технологию поверхности ячеек для небольших электролизеров PEM. Ячейки могут быть спроектированы в соответствии с требованиями, что позволяет уменьшить количество драгоценных металлов и увеличить рабочее давление. Главное преимущество электролизеров PEM заключается в том, что производство водорода изменяется практически синхронно с подаваемой энергией, что подходит для изменения потребности в водороде. Ячейки Hoeller реагируют на изменения нагрузки от 0 до 100% за считанные секунды. Запатентованная технология Хёллера проходит испытания на соответствие требованиям, а испытательный полигон будет построен к концу 2020 года.
Чистота водорода, производимого с помощью PEM-ячеек, может достигать 99,99%, что выше, чем у щелочных ячеек. Кроме того, чрезвычайно низкая газопроницаемость полимерной мембраны снижает риск образования легковоспламеняющихся смесей, позволяя электролизеру работать при чрезвычайно низких плотностях тока. Проводимость воды, подаваемой в электролизер, должна быть менее 1 С/см. Поскольку перенос протонов через полимерную мембрану быстро реагирует на колебания мощности, PEM-ячейки могут работать в различных режимах электропитания. Хотя PEM-ячейки уже коммерциализированы, у них есть некоторые недостатки, главным образом, высокая стоимость инвестиций и высокая стоимость как мембраны, так и электродов на основе драгоценных металлов. Кроме того, срок службы PEM-ячеек короче, чем у щелочных ячеек. В будущем необходимо значительно улучшить производительность PEM-ячеек по производству водорода.
Дата публикации: 02.02.2023