In 1966 ontwikkelde General Electric Company een water-elektrolytische cel op basis van het protongeleidingsconcept, waarbij een polymeermembraan als elektrolyt werd gebruikt. PEM-cellen werden in 1978 door General Electric op de markt gebracht. Momenteel produceert het bedrijf minder PEM-cellen, vooral vanwege de beperkte waterstofproductie, de korte levensduur en de hoge investeringskosten. Een PEM-cel heeft een bipolaire structuur en elektrische verbindingen tussen cellen worden gemaakt via bipolaire platen, die een belangrijke rol spelen bij het afvoeren van de gegenereerde gassen. De anode-, kathode- en membraangroep vormen het membraanelektrodesamenstel (MEA). De elektrode bestaat meestal uit edele metalen zoals platina of iridium. Aan de anode wordt water geoxideerd om zuurstof, elektronen en protonen te produceren. Bij de kathode circuleren de door de anode geproduceerde zuurstof, elektronen en protonen door het membraan naar de kathode, waar ze worden gereduceerd om waterstofgas te produceren. Het principe van de PEM-elektrolysator wordt weergegeven in de figuur.
PEM-elektrolytische cellen worden meestal gebruikt voor kleinschalige waterstofproductie, met een maximale waterstofproductie van ongeveer 30 Nm3/h en een stroomverbruik van 174 kW. Vergeleken met alkalische cellen bestrijkt de werkelijke waterstofproductiesnelheid van PEM-cellen bijna het hele limietbereik. De PEM-cel kan werken met een hogere stroomdichtheid dan de alkalische cel, zelfs tot 1,6 A/cm2, en het elektrolytische rendement bedraagt 48%-65%. Omdat de polymeerfilm niet bestand is tegen hoge temperaturen, ligt de temperatuur van de elektrolytische cel vaak onder de 80°C. Hoeller electrolyzer heeft een geoptimaliseerde celoppervlaktechnologie ontwikkeld voor kleine PEM-elektrolyseapparaten. De cellen kunnen worden ontworpen volgens de vereisten, waardoor de hoeveelheid edelmetalen wordt verminderd en de werkdruk wordt verhoogd. Het grote voordeel van PEM-elektrolyse is dat de waterstofproductie vrijwel synchroon verandert met de geleverde energie, wat geschikt is voor de verandering van de waterstofvraag. Hoeller-cellen reageren binnen enkele seconden op 0-100% belastingsveranderingen. De gepatenteerde technologie van Hoeller ondergaat momenteel validatietests en de testfaciliteit zal eind 2020 worden gebouwd.
De zuiverheid van waterstof geproduceerd door PEM-cellen kan oplopen tot 99,99%, wat hoger is dan die van alkalische cellen. Bovendien vermindert de extreem lage gasdoorlaatbaarheid van het polymeermembraan het risico op de vorming van brandbare mengsels, waardoor de elektrolyseur met extreem lage stroomdichtheden kan werken. De geleidbaarheid van het aan de elektrolysator toegevoerde water moet minder dan 1S/cm bedragen. Omdat protonentransport door het polymeermembraan snel reageert op stroomschommelingen, kunnen PEM-cellen op verschillende manieren van energievoorziening werken. Hoewel de PEM-cel op de markt is gebracht, heeft deze enkele nadelen, voornamelijk de hoge investeringskosten en de hoge kosten van zowel membraan- als edelmetaalgebaseerde elektroden. Bovendien is de levensduur van PEM-cellen korter dan die van alkalische cellen. In de toekomst moet de capaciteit van de PEM-cel om waterstof te produceren sterk worden verbeterd.
Posttijd: 02-feb-2023