У 1966 році компанія General Electric розробила водний електролітичний елемент на основі концепції протонної провідності, використовуючи полімерну мембрану як електроліт. PEM-елементи були комерціалізовані General Electric у 1978 році. Наразі компанія виробляє менше PEM-елементів, головним чином через обмежене виробництво водню, короткий термін служби та високі інвестиційні витрати. PEM-елемент має біполярну структуру, а електричні з'єднання між елементами здійснюються через біполярні пластини, які відіграють важливу роль у відведенні газів, що утворюються. Анод, катод і мембранна група утворюють мембранно-електродний вузол (MEA). Електрод зазвичай складається з дорогоцінних металів, таких як платина або іридій. На аноді вода окислюється з утворенням кисню, електронів та протонів. На катоді кисень, електрони та протони, що утворюються анодом, циркулюють через мембрану до катода, де вони відновлюються з утворенням газоподібного водню. Принцип роботи PEM-електролізера показано на рисунку.
Електролітичні елементи PEM зазвичай використовуються для невеликого виробництва водню, з максимальним виробництвом водню близько 30 Нм3/год та споживанням енергії 174 кВт. Порівняно з лужними елементами, фактична швидкість виробництва водню в елементі PEM майже охоплює весь граничний діапазон. Елемент PEM може працювати з вищою щільністю струму, ніж лужний елемент, навіть до 1,6 А/см2, а електролітичний ККД становить 48%-65%. Оскільки полімерна плівка нестійка до високих температур, температура електролітичного елемента часто нижче 80°C. Компанія Hoeller розробила оптимізовану технологію поверхні елемента для малих електролізерів PEM. Елементи можна проектувати відповідно до вимог, зменшуючи кількість дорогоцінних металів та підвищуючи робочий тиск. Головною перевагою електролізера PEM є те, що виробництво водню змінюється майже синхронно з енергією, що подається, що підходить для зміни потреби у водні. Елементи Hoeller реагують на зміни номінального навантаження від 0 до 100% за лічені секунди. Запатентована технологія Hoeller проходить валідаційні випробування, а випробувальний стенд буде побудовано до кінця 2020 року.
Чистота водню, що виробляється елементами PEM, може сягати 99,99%, що вище, ніж у лужних елементів. Крім того, надзвичайно низька газопроникність полімерної мембрани знижує ризик утворення легкозаймистих сумішей, що дозволяє електролізеру працювати при надзвичайно низькій щільності струму. Провідність води, що подається в електролізер, повинна бути менше 1 См/см. Оскільки транспорт протонів через полімерну мембрану швидко реагує на коливання потужності, елементи PEM можуть працювати в різних режимах живлення. Хоча елемент PEM був комерціалізований, він має деякі недоліки, головним чином високі інвестиційні витрати та високу вартість як мембрани, так і електродів на основі дорогоцінних металів. Крім того, термін служби елементів PEM коротший, ніж у лужних елементів. У майбутньому необхідно значно покращити здатність елементів PEM виробляти водень.
Час публікації: 02 лютого 2023 р.