W 1966 roku firma General Electric Company opracowała ogniwo do elektrolitu wodnego oparte na koncepcji przewodnictwa protonowego, wykorzystujące membranę polimerową jako elektrolit. Ogniwa PEM zostały skomercjalizowane przez General Electric w 1978 roku. Obecnie firma produkuje mniej ogniw PEM, głównie ze względu na ograniczoną produkcję wodoru, krótką żywotność i wysokie koszty inwestycji. Ogniwo PEM ma budowę bipolarną, a połączenia elektryczne pomiędzy ogniwami realizowane są poprzez bipolarne płytki, które pełnią ważną rolę w odprowadzaniu powstających gazów. Anoda, katoda i grupa membran tworzą zespół elektrody membranowej (MEA). Elektroda składa się zwykle z metali szlachetnych, takich jak platyna lub iryd. Na anodzie woda ulega utlenieniu, w wyniku czego powstaje tlen, elektrony i protony. Na katodzie tlen, elektrony i protony wytwarzane przez anodę krążą przez membranę do katody, gdzie są redukowane w celu wytworzenia gazowego wodoru. Zasada działania elektrolizera PEM jest pokazana na rysunku.
Ogniwa elektrolityczne PEM są zwykle wykorzystywane do produkcji wodoru na małą skalę, przy maksymalnej produkcji wodoru wynoszącej około 30 Nm3/h i zużyciu energii wynoszącym 174 kW. W porównaniu z ogniwem alkalicznym, rzeczywista szybkość produkcji wodoru w ogniwie PEM prawie pokrywa cały zakres graniczny. Ogniwo PEM może pracować przy wyższej gęstości prądu niż ogniwo alkaliczne, nawet do 1,6A/cm2, a wydajność elektrolityczna wynosi 48%-65%. Ponieważ folia polimerowa nie jest odporna na wysoką temperaturę, temperatura ogniwa elektrolitycznego często spada poniżej 80°C. Elektrolizer Hoeller opracował zoptymalizowaną technologię powierzchni ogniw dla małych elektrolizerów PEM. Ogniwa można zaprojektować zgodnie z wymaganiami, zmniejszając ilość metali szlachetnych i zwiększając ciśnienie robocze. Główną zaletą elektrolizera PEM jest to, że produkcja wodoru zmienia się niemal synchronicznie z dostarczaną energią, co jest odpowiednie dla zmiany zapotrzebowania na wodór. Ogniwa Hoellera reagują na zmiany obciążenia w zakresie 0–100% w ciągu kilku sekund. Opatentowana technologia firmy Hoeller przechodzi testy walidacyjne, a obiekt testowy zostanie zbudowany do końca 2020 roku.
Czystość wodoru wytwarzanego przez ogniwa PEM może sięgać nawet 99,99% i jest wyższa niż w przypadku ogniw alkalicznych. Ponadto wyjątkowo niska przepuszczalność gazu membrany polimerowej zmniejsza ryzyko tworzenia palnych mieszanin, umożliwiając pracę elektrolizera przy wyjątkowo niskich gęstościach prądu. Przewodność wody dostarczanej do elektrolizera musi być mniejsza niż 1 S/cm. Ponieważ transport protonów przez membranę polimerową szybko reaguje na wahania mocy, ogniwa PEM mogą działać w różnych trybach zasilania. Chociaż ogniwo PEM zostało już skomercjalizowane, ma ono pewne wady, głównie wysoki koszt inwestycji oraz wysoki koszt zarówno elektrod membranowych, jak i na bazie metali szlachetnych. Ponadto żywotność ogniw PEM jest krótsza niż ogniw alkalicznych. W przyszłości należy znacznie ulepszyć zdolność ogniw PEM do produkcji wodoru.
Czas publikacji: 02 lutego 2023 r