ในปี 1966 บริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริกได้พัฒนาเซลล์อิเล็กโทรไลซิสน้ำโดยอาศัยหลักการนำโปรตอน โดยใช้เยื่อพอลิเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์ เซลล์ PEM ได้ถูกนำออกจำหน่ายเชิงพาณิชย์โดยเจเนอรัลอิเล็กทริกในปี 1978 ปัจจุบัน บริษัทผลิตเซลล์ PEM น้อยลง ส่วนใหญ่เป็นเพราะการผลิตไฮโดรเจนที่จำกัด อายุการใช้งานสั้น และต้นทุนการลงทุนสูง เซลล์ PEM มีโครงสร้างแบบสองขั้ว และการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเซลล์ทำผ่านแผ่นสองขั้ว ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้น ขั้วบวก ขั้วลบ และกลุ่มเยื่อประกอบกันเป็นชุดประกอบอิเล็กโทรดเยื่อ (MEA) อิเล็กโทรดมักประกอบด้วยโลหะมีค่า เช่น แพลทินัมหรืออิริเดียม ที่ขั้วบวก น้ำจะถูกออกซิไดซ์เพื่อผลิตออกซิเจน อิเล็กตรอน และโปรตอน ที่ขั้วลบ ออกซิเจน อิเล็กตรอน และโปรตอนที่ผลิตจากขั้วบวกจะไหลเวียนผ่านเยื่อไปยังขั้วลบ ซึ่งจะถูกรีดิวซ์เพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน หลักการทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM แสดงอยู่ในรูป
เซลล์อิเล็กโทรไลติก PEM มักใช้สำหรับการผลิตไฮโดรเจนขนาดเล็ก โดยมีกำลังการผลิตไฮโดรเจนสูงสุดประมาณ 30 Nm³/h และใช้พลังงาน 174 kW เมื่อเทียบกับเซลล์อัลคาไลน์ อัตราการผลิตไฮโดรเจนจริงของเซลล์ PEM ครอบคลุมช่วงขีดจำกัดเกือบทั้งหมด เซลล์ PEM สามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสสูงกว่าเซลล์อัลคาไลน์ได้ถึง 1.6 A/cm² และประสิทธิภาพการอิเล็กโทรไลซิสอยู่ที่ 48%-65% เนื่องจากฟิล์มโพลีเมอร์ไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง อุณหภูมิของเซลล์อิเล็กโทรไลติกจึงมักต่ำกว่า 80°C เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ Hoeller ได้พัฒนาเทคโนโลยีพื้นผิวเซลล์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM ขนาดเล็ก เซลล์สามารถออกแบบได้ตามความต้องการ ลดปริมาณโลหะมีค่า และเพิ่มแรงดันในการทำงาน ข้อได้เปรียบหลักของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM คือ การผลิตไฮโดรเจนเปลี่ยนแปลงเกือบจะพร้อมกับการจ่ายพลังงาน ซึ่งเหมาะสมกับการเปลี่ยนแปลงของความต้องการไฮโดรเจน เซลล์ Hoeller ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงพิกัดโหลด 0-100% ได้ในเวลาไม่กี่วินาที เทคโนโลยีที่จดสิทธิบัตรของโฮลเลอร์กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบเพื่อตรวจสอบความถูกต้อง และสถานที่ทดสอบจะสร้างเสร็จภายในสิ้นปี 2020
ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่ผลิตโดยเซลล์ PEM สามารถสูงถึง 99.99% ซึ่งสูงกว่าเซลล์อัลคาไลน์ นอกจากนี้ การซึมผ่านของก๊าซที่ต่ำมากของเยื่อพอลิเมอร์ช่วยลดความเสี่ยงในการเกิดส่วนผสมที่ติดไฟได้ ทำให้เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าสามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสต่ำมากได้ ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำที่ป้อนเข้าเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าต้องน้อยกว่า 1 S/cm เนื่องจากกระบวนการขนส่งโปรตอนผ่านเยื่อพอลิเมอร์ตอบสนองต่อความผันผวนของพลังงานได้อย่างรวดเร็ว เซลล์ PEM จึงสามารถทำงานในโหมดการจ่ายพลังงานที่แตกต่างกันได้ แม้ว่าเซลล์ PEM จะได้รับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว แต่ก็ยังมีข้อเสียอยู่บ้าง โดยหลักๆ คือ ต้นทุนการลงทุนสูง และค่าใช้จ่ายสูงของทั้งเยื่อและอิเล็กโทรดที่ทำจากโลหะมีค่า นอกจากนี้ อายุการใช้งานของเซลล์ PEM ยังสั้นกว่าเซลล์อัลคาไลน์ ในอนาคต ความสามารถในการผลิตไฮโดรเจนของเซลล์ PEM จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงอย่างมาก
วันที่เผยแพร่: 2 กุมภาพันธ์ 2566