1966年、ゼネラル・エレクトリック社は、電解質として高分子膜を使用した、プロトン伝導の概念に基づく水電解電池を開発した。 PEM セルは 1978 年にゼネラル エレクトリック社によって商品化されました。現在、同社が生産する PEM セルの数は減少しています。これは主に水素生産が限られており、寿命が短く、投資コストが高いためです。 PEMセルはバイポーラ構造をしており、セル間の電気的接続はバイポーラプレートを介して行われ、発生したガスを排出する重要な役割を果たします。アノード、カソード、および膜グループは膜電極接合体 (MEA) を形成します。電極は通常、白金やイリジウムなどの貴金属で構成されています。アノードでは、水が酸化されて酸素、電子、プロトンが生成されます。カソードでは、アノードで生成された酸素、電子、プロトンが膜を通ってカソードに循環し、そこで還元されて水素ガスが生成されます。 PEM電解装置の原理を図に示します。
PEM 電解セルは通常、小規模な水素製造に使用され、最大水素製造量は約 30Nm3/h、消費電力は 174kW です。アルカリ電池と比較して、PEM 電池の実際の水素生成速度は限界範囲全体をほぼカバーしています。 PEM 電池は、アルカリ電池よりも高い電流密度 (最大 1.6A/cm2) で動作でき、電解効率は 48% ～ 65% です。ポリマーフィルムは高温に弱いため、電解槽の温度は 80°C 未満になることがよくあります。 Hoeller 電解槽は、小型 PEM 電解槽用に最適化されたセル表面技術を開発しました。セルは要件に応じて設計でき、貴金属の量を減らし、動作圧力を高めます。 PEM電解装置の主な利点は、供給されるエネルギーとほぼ同期して水素生成量が変化し、水素需要の変化に適していることです。ヘラーセルは、0 ～ 100% の定格荷重変化に数秒で応答します。ヘラー社の特許技術は検証試験が行われており、試験施設は2020年末までに建設される予定だ。
PEM 電池で生成される水素の純度は 99.99% にも達し、アルカリ電池よりも高くなります。さらに、ポリマー膜のガス透過性が極めて低いため、可燃性混合物が形成されるリスクが軽減され、電解槽を極めて低い電流密度で動作させることができます。電解槽に供給される水の導電率は 1S/cm 未満である必要があります。高分子膜を通過するプロトン輸送は電力変動に迅速に応答するため、PEM セルはさまざまな電力供給モードで動作できます。 PEM セルは商品化されていますが、主に投資コストが高く、膜と貴金属ベースの電極の両方に費用がかかるなど、いくつかの欠点があります。また、PEM 電池の寿命はアルカリ電池に比べて短くなります。将来的には、PEM セルの水素生成能力を大幅に向上させる必要があります。
投稿日時: 2023 年 2 月 2 日