I 1966 udviklede General Electric Company vandelektrolytiske celler baseret på protonledningskonceptet ved at bruge polymermembran som elektrolyt. PEM-celler blev kommercialiseret af General Electric i 1978. I øjeblikket producerer virksomheden færre PEM-celler, primært på grund af dens begrænsede brintproduktion, korte levetid og høje investeringsomkostninger. En PEM-celle har en bipolær struktur, og elektriske forbindelser mellem celler er lavet gennem bipolære plader, som spiller en vigtig rolle i udledning af de genererede gasser. Anoden, katoden og membrangruppen danner membranelektrodesamlingen (MEA). Elektroden er normalt sammensat af ædle metaller såsom platin eller iridium. Ved anoden oxideres vand for at producere ilt, elektroner og protoner. Ved katoden cirkulerer ilten, elektronerne og protonerne produceret af anoden gennem membranen til katoden, hvor de reduceres til at producere brintgas. Princippet for PEM-elektrolysator er vist i figuren.
PEM-elektrolyseceller bruges normalt til brintproduktion i lille målestok, med en maksimal brintproduktion på omkring 30Nm3/h og et strømforbrug på 174kW. Sammenlignet med alkaliske celler dækker den faktiske brintproduktionshastighed for PEM-celler næsten hele grænseområdet. PEM-cellen kan arbejde ved en højere strømtæthed end den alkaliske celle, selv op til 1,6A/cm2, og den elektrolytiske effektivitet er 48%-65%. Fordi polymerfilmen ikke er modstandsdygtig over for høje temperaturer, er temperaturen af elektrolysecellen ofte under 80°C. Hoeller elektrolysator har udviklet en optimeret celleoverfladeteknologi til små PEM elektrolysatorer. Cellerne kan designes efter kravene, hvilket reducerer mængden af ædelmetaller og øger driftstrykket. Den største fordel ved PEM elektrolysator er, at brintproduktionen ændres næsten synkront med den tilførte energi, hvilket er velegnet til ændring af brintbehov. Hoeller-celler reagerer på 0-100 % belastningsændringer på få sekunder. Hoellers patenterede teknologi gennemgår valideringstest, og testfaciliteten vil blive bygget inden udgangen af 2020.
Renheden af hydrogen produceret af PEM-celler kan være så høj som 99,99%, hvilket er højere end for alkaliske celler. Derudover reducerer polymermembranens ekstremt lave gaspermeabilitet risikoen for dannelse af brændbare blandinger, hvilket gør det muligt for elektrolysatoren at fungere ved ekstremt lave strømtætheder. Ledningsevnen af vandet, der leveres til elektrolysatoren, skal være mindre end 1S/cm. Fordi protontransport over polymermembranen reagerer hurtigt på strømudsving, kan PEM-celler fungere i forskellige strømforsyningstilstande. Selvom PEM-cellen er blevet kommercialiseret, har den nogle ulemper, primært de høje investeringsomkostninger og de høje omkostninger ved både membran- og ædelmetalbaserede elektroder. Derudover er levetiden for PEM-celler kortere end for alkaliske celler. I fremtiden skal PEM-cellens kapacitet til at producere brint forbedres væsentligt.
Indlægstid: 02-02-2023