Năm 1966, Công ty General Electric đã phát triển tế bào điện phân nước dựa trên khái niệm dẫn proton, sử dụng màng polymer làm chất điện phân. Tế bào PEM được General Electric thương mại hóa vào năm 1978. Hiện nay, công ty sản xuất ít tế bào PEM hơn, chủ yếu là do sản lượng hydro hạn chế, tuổi thọ ngắn và chi phí đầu tư cao. Tế bào PEM có cấu trúc lưỡng cực, và các kết nối điện giữa các tế bào được thực hiện thông qua các tấm lưỡng cực, đóng vai trò quan trọng trong việc giải phóng khí sinh ra. Anode, catốt và nhóm màng tạo thành cụm điện cực màng (MEA). Điện cực thường được cấu tạo từ các kim loại quý như bạch kim hoặc iridi. Tại anode, nước bị oxy hóa để tạo ra oxy, electron và proton. Tại catốt, oxy, electron và proton được tạo ra bởi anode lưu thông qua màng đến catốt, nơi chúng được khử để tạo ra khí hydro. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân PEM được thể hiện trong hình vẽ.
Các tế bào điện phân PEM thường được sử dụng để sản xuất hydro quy mô nhỏ, với sản lượng hydro tối đa khoảng 30 Nm3/h và công suất tiêu thụ 174 kW. So với tế bào kiềm, tốc độ sản xuất hydro thực tế của tế bào PEM gần như bao phủ toàn bộ phạm vi giới hạn. Tế bào PEM có thể hoạt động ở mật độ dòng điện cao hơn tế bào kiềm, thậm chí lên đến 1,6 A/cm2, và hiệu suất điện phân đạt 48%-65%. Do màng polymer không chịu được nhiệt độ cao, nhiệt độ của tế bào điện phân thường dưới 80°C. Hoeller đã phát triển công nghệ bề mặt tế bào tối ưu cho các máy điện phân PEM cỡ nhỏ. Các tế bào có thể được thiết kế theo yêu cầu, giảm lượng kim loại quý và tăng áp suất hoạt động. Ưu điểm chính của máy điện phân PEM là sản lượng hydro thay đổi gần như đồng bộ với năng lượng cung cấp, phù hợp với sự thay đổi nhu cầu hydro. Tế bào Hoeller đáp ứng sự thay đổi tải trọng từ 0-100% trong vài giây. Công nghệ được cấp bằng sáng chế của Hoeller đang trải qua các thử nghiệm xác nhận và cơ sở thử nghiệm sẽ được xây dựng xong vào cuối năm 2020.
Độ tinh khiết của hydro được sản xuất bằng pin PEM có thể đạt tới 99,99%, cao hơn so với pin kiềm. Ngoài ra, độ thấm khí cực thấp của màng polymer làm giảm nguy cơ hình thành hỗn hợp dễ cháy, cho phép máy điện phân hoạt động ở mật độ dòng điện cực thấp. Độ dẫn điện của nước cung cấp cho máy điện phân phải nhỏ hơn 1S/cm. Do sự vận chuyển proton qua màng polymer phản ứng nhanh với sự dao động công suất, pin PEM có thể hoạt động ở các chế độ cung cấp điện khác nhau. Mặc dù pin PEM đã được thương mại hóa, nhưng nó vẫn có một số nhược điểm, chủ yếu là chi phí đầu tư cao và chi phí cao của cả màng và điện cực làm từ kim loại quý. Thêm vào đó, tuổi thọ của pin PEM ngắn hơn so với pin kiềm. Trong tương lai, công suất sản xuất hydro của pin PEM cần được cải thiện đáng kể.
Thời gian đăng bài: 02/02/2023