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