В 1966 году компания General Electric разработала водный электролитический элемент, основанный на концепции протонной проводимости, используя полимерную мембрану в качестве электролита. Элементы PEM были коммерциализированы компанией General Electric в 1978 году. В настоящее время компания производит меньше элементов PEM, главным образом из-за ограниченного производства водорода, короткого срока службы и высоких инвестиционных затрат. Ячейка ПОМ имеет биполярную структуру, а электрические соединения между ячейками осуществляются через биполярные пластины, которые играют важную роль в отводе образующихся газов. Анод, катод и мембранная группа образуют мембранно-электродный узел (МЭА). Электрод обычно состоит из драгоценных металлов, таких как платина или иридий. На аноде вода окисляется с образованием кислорода, электронов и протонов. На катоде кислород, электроны и протоны, производимые анодом, циркулируют через мембрану к катоду, где они восстанавливаются с образованием газообразного водорода. Принцип работы электролизера ПЭМ показан на рисунке.
Электролизеры PEM обычно используются для мелкомасштабного производства водорода с максимальной производительностью около 30 Нм3/ч и потребляемой мощностью 174 кВт. По сравнению со щелочными элементами, фактическая скорость производства водорода в элементе PEM почти охватывает весь предельный диапазон. Элемент PEM может работать при более высокой плотности тока, чем щелочной элемент, даже до 1,6 А/см2, а электролитический КПД составляет 48–65%. Поскольку полимерная пленка не устойчива к высоким температурам, температура электролизера часто бывает ниже 80°C. Компания Hoeller Electrolyzer разработала оптимизированную технологию поверхности ячеек для небольших электролизеров PEM. Ячейки могут быть спроектированы в соответствии с требованиями, уменьшая количество драгоценных металлов и увеличивая рабочее давление. Основным преимуществом электролизера PEM является то, что производство водорода изменяется практически синхронно с подаваемой энергией, что соответствует изменению потребности в водороде. Ячейки Хеллера реагируют на изменение номинальной нагрузки от 0 до 100% за считанные секунды. Запатентованная технология Hoeller проходит проверочные испытания, испытательный стенд будет построен к концу 2020 года.
Чистота водорода, производимого элементами PEM, может достигать 99,99%, что выше, чем у щелочных элементов. Кроме того, чрезвычайно низкая газопроницаемость полимерной мембраны снижает риск образования горючих смесей, позволяя электролизёру работать при предельно малых плотностях тока. Проводимость воды, подаваемой в электролизер, должна быть менее 1См/см. Поскольку транспорт протонов через полимерную мембрану быстро реагирует на колебания мощности, ячейки ПОМ могут работать в различных режимах электропитания. Хотя элемент PEM был коммерциализирован, он имеет некоторые недостатки, в основном высокие инвестиционные затраты и высокую стоимость как мембран, так и электродов на основе драгоценных металлов. Кроме того, срок службы элементов PEM короче, чем у щелочных элементов. В будущем способность PEM-ячейки производить водород необходимо значительно улучшить.
Время публикации: 02 февраля 2023 г.