في عام 1966، قامت شركة جنرال إلكتريك بتطوير خلية التحليل الكهربائي للماء على أساس مفهوم توصيل البروتون، وذلك باستخدام غشاء البوليمر كإلكتروليت. تم تسويق خلايا PEM تجاريًا بواسطة شركة جنرال إلكتريك في عام 1978. حاليًا، تنتج الشركة عددًا أقل من خلايا PEM، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاجها المحدود من الهيدروجين، وقصر عمرها، وارتفاع تكلفة الاستثمار. تحتوي خلية PEM على بنية ثنائية القطب، ويتم إجراء التوصيلات الكهربائية بين الخلايا من خلال صفائح ثنائية القطب، والتي تلعب دورًا مهمًا في تفريغ الغازات المتولدة. تشكل مجموعة الأنود والكاثود والغشاء مجموعة القطب الغشائي (MEA). يتكون القطب عادة من معادن ثمينة مثل البلاتين أو الإيريديوم. عند الأنود، يتأكسد الماء لإنتاج الأكسجين والإلكترونات والبروتونات. عند الكاثود، يدور الأكسجين والإلكترونات والبروتونات التي ينتجها الأنود عبر الغشاء إلى الكاثود، حيث يتم اختزالها لإنتاج غاز الهيدروجين. يظهر مبدأ المحلل الكهربائي PEM في الشكل.
تُستخدم عادةً خلايا التحليل الكهربائي PEM لإنتاج الهيدروجين على نطاق صغير، مع أقصى إنتاج للهيدروجين يبلغ حوالي 30 نيوتن متر مكعب في الساعة واستهلاك طاقة يبلغ 174 كيلو واط. بالمقارنة مع الخلايا القلوية، فإن معدل إنتاج الهيدروجين الفعلي لخلية PEM يغطي نطاق الحد بأكمله تقريبًا. يمكن لخلية PEM أن تعمل بكثافة تيار أعلى من الخلية القلوية، حتى ما يصل إلى 1.6A/cm2، وتبلغ كفاءة التحليل الكهربائي 48%-65%. نظرًا لأن طبقة البوليمر ليست مقاومة لدرجة الحرارة المرتفعة، فإن درجة حرارة الخلية الإلكتروليتية غالبًا ما تكون أقل من 80 درجة مئوية. قام المحلل الكهربائي Hoeller بتطوير تقنية سطح الخلية المُحسّنة للمحللات الكهربائية الصغيرة PEM. يمكن تصميم الخلايا وفقًا للمتطلبات، مما يقلل من كمية المعادن الثمينة ويزيد من ضغط التشغيل. الميزة الرئيسية للمحلل الكهربائي PEM هي أن إنتاج الهيدروجين يتغير بشكل متزامن تقريبًا مع الطاقة المتوفرة، وهو مناسب لتغيير الطلب على الهيدروجين. تستجيب خلايا هولر لتغييرات تصنيف الحمل بنسبة 0-100% في ثوانٍ. وتخضع تقنية هولر الحاصلة على براءة اختراع لاختبارات التحقق، وسيتم بناء منشأة الاختبار بحلول نهاية عام 2020.
يمكن أن يصل نقاء الهيدروجين الذي تنتجه خلايا PEM إلى 99.99%، وهو أعلى من نقاء الخلايا القلوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن نفاذية الغاز المنخفضة للغاية لغشاء البوليمر تقلل من خطر تكوين مخاليط قابلة للاشتعال، مما يسمح للمحلل الكهربائي بالعمل بكثافة تيار منخفضة للغاية. يجب أن تكون موصلية الماء المزود للمحلل الكهربائي أقل من 1S/سم. نظرًا لأن نقل البروتون عبر غشاء البوليمر يستجيب بسرعة لتقلبات الطاقة، يمكن لخلايا PEM أن تعمل في أوضاع مختلفة لإمدادات الطاقة. على الرغم من أن خلية PEM قد تم تسويقها تجاريًا، إلا أنها تحتوي على بعض العيوب، أهمها تكلفة الاستثمار المرتفعة والتكلفة العالية لكل من الأقطاب الكهربية المعتمدة على الأغشية والمعادن الثمينة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عمر خدمة خلايا PEM أقصر من عمر الخلايا القلوية. في المستقبل، يجب تحسين قدرة خلية PEM على إنتاج الهيدروجين بشكل كبير.
وقت النشر: 02 فبراير 2023