År 1966 utvecklade General Electric Company en vattenelektrolytisk cell baserad på protonledningskonceptet, med polymermembran som elektrolyt. PEM-celler kommersialiserades av General Electric 1978. För närvarande producerar företaget färre PEM-celler, främst på grund av dess begränsade vätgasproduktion, korta livslängd och höga investeringskostnad. En PEM-cell har en bipolär struktur, och elektriska förbindelser mellan cellerna görs genom bipolära plattor, vilka spelar en viktig roll för att avleda de genererade gaserna. Anoden, katoden och membrangruppen bildar membranelektrodaggregatet (MEA). Elektroden består vanligtvis av ädelmetaller som platina eller iridium. Vid anoden oxideras vatten för att producera syre, elektroner och protoner. Vid katoden cirkulerar syret, elektronerna och protonerna som produceras av anoden genom membranet till katoden, där de reduceras för att producera vätgas. Principen för PEM-elektrolysören visas i figuren.
PEM-elektrolytceller används vanligtvis för småskalig vätgasproduktion, med en maximal vätgasproduktion på cirka 30 Nm3/h och en effektförbrukning på 174 kW. Jämfört med alkaliska celler täcker den faktiska vätgasproduktionshastigheten för PEM-celler nästan hela gränsområdet. PEM-cellen kan arbeta med en högre strömtäthet än den alkaliska cellen, till och med upp till 1,6 A/cm2, och den elektrolytiska verkningsgraden är 48 %–65 %. Eftersom polymerfilmen inte är resistent mot höga temperaturer är temperaturen i elektrolytcellen ofta under 80 °C. Hoeller electrolyzer har utvecklat en optimerad cellyteteknik för små PEM-elektrolysörer. Cellerna kan utformas enligt kraven, vilket minskar mängden ädelmetaller och ökar driftstrycket. Den största fördelen med PEM-elektrolysörer är att vätgasproduktionen förändras nästan synkront med den tillförda energin, vilket är lämpligt för förändringar i vätgasbehovet. Hoeller-celler reagerar på 0–100 % belastningsförändringar på några sekunder. Hoellers patenterade teknik genomgår valideringstester och testanläggningen kommer att byggas i slutet av 2020.
Renheten hos väte som produceras av PEM-celler kan vara så hög som 99,99 %, vilket är högre än för alkaliska celler. Dessutom minskar polymermembranets extremt låga gaspermeabilitet risken för att bilda brandfarliga blandningar, vilket gör att elektrolysören kan arbeta vid extremt låga strömtätheter. Konduktiviteten hos vattnet som tillförs elektrolysören måste vara mindre än 1 S/cm. Eftersom protontransport över polymermembranet reagerar snabbt på effektfluktuationer kan PEM-celler arbeta i olika strömförsörjningslägen. Även om PEM-cellen har kommersialiserats har den vissa nackdelar, främst den höga investeringskostnaden och den höga kostnaden för både membran- och ädelmetallbaserade elektroder. Dessutom är PEM-cellernas livslängd kortare än för alkaliska celler. I framtiden behöver PEM-cellernas kapacitet att producera väte förbättras avsevärt.
Publiceringstid: 2 februari 2023