Nel 1966, la General Electric Company sviluppò una cella elettrolitica ad acqua basata sul concetto di conduzione protonica, utilizzando la membrana polimerica come elettrolita. Le celle PEM furono commercializzate da General Electric nel 1978. Attualmente, l'azienda produce meno celle PEM, principalmente a causa della produzione limitata di idrogeno, della breve durata e degli elevati costi di investimento. Una cella PEM ha una struttura bipolare e le connessioni elettriche tra le celle vengono effettuate tramite piastre bipolari, che svolgono un ruolo importante nello scarico dei gas generati. L'anodo, il catodo e il gruppo membrana formano il gruppo membrana-elettrodo (MEA). L'elettrodo è solitamente composto da metalli preziosi come platino o iridio. All'anodo l'acqua viene ossidata per produrre ossigeno, elettroni e protoni. Al catodo, l'ossigeno, gli elettroni e i protoni prodotti dall'anodo circolano attraverso la membrana fino al catodo, dove vengono ridotti per produrre idrogeno gassoso. Il principio dell'elettrolizzatore PEM è mostrato in figura.
Le celle elettrolitiche PEM vengono solitamente utilizzate per la produzione di idrogeno su piccola scala, con una produzione massima di idrogeno di circa 30 Nm3/h e un consumo energetico di 174 kW. Rispetto alle celle alcaline, il tasso di produzione effettivo di idrogeno delle celle PEM copre quasi l’intero intervallo limite. La cella PEM può funzionare con una densità di corrente maggiore rispetto alla cella alcalina, anche fino a 1,6 A/cm2, e l'efficienza elettrolitica è del 48%-65%. Poiché la pellicola polimerica non è resistente alle alte temperature, la temperatura della cella elettrolitica è spesso inferiore a 80°C. L'elettrolizzatore Hoeller ha sviluppato una tecnologia di superficie cellulare ottimizzata per piccoli elettrolizzatori PEM. Le celle possono essere progettate a seconda delle esigenze, riducendo la quantità di metalli preziosi e aumentando la pressione di esercizio. Il vantaggio principale dell'elettrolizzatore PEM è che la produzione di idrogeno cambia quasi in sincronia con l'energia fornita, il che è adatto al cambiamento della domanda di idrogeno. Le celle Hoeller rispondono a variazioni del coefficiente di carico dallo 0 al 100% in pochi secondi. La tecnologia brevettata di Hoeller è in fase di test di validazione e l'impianto di prova sarà costruito entro la fine del 2020.
La purezza dell'idrogeno prodotto dalle celle PEM può raggiungere il 99,99%, superiore a quella delle celle alcaline. Inoltre, la permeabilità ai gas estremamente bassa della membrana polimerica riduce il rischio di formazione di miscele infiammabili, consentendo all'elettrolizzatore di funzionare a densità di corrente estremamente basse. La conduttività dell'acqua fornita all'elettrolizzatore deve essere inferiore a 1S/cm. Poiché il trasporto dei protoni attraverso la membrana polimerica risponde rapidamente alle fluttuazioni di potenza, le celle PEM possono funzionare in diverse modalità di alimentazione. Sebbene la cella PEM sia stata commercializzata, presenta alcuni svantaggi, principalmente l'elevato costo di investimento e l'elevata spesa degli elettrodi sia a membrana che a base di metalli preziosi. Inoltre, la durata delle celle PEM è inferiore a quella delle celle alcaline. In futuro, la capacità delle celle PEM di produrre idrogeno dovrà essere notevolmente migliorata.
Orario di pubblicazione: 02-febbraio-2023