Năm 1966, Công ty General Electric phát triển pin điện phân nước dựa trên nguyên lý dẫn proton, sử dụng màng polyme làm chất điện phân. Pin PEM được General Electric thương mại hóa vào năm 1978. Hiện tại, công ty sản xuất ít pin PEM hơn, chủ yếu do sản lượng hydro hạn chế, tuổi thọ ngắn và chi phí đầu tư cao. Tế bào PEM có cấu trúc lưỡng cực và các kết nối điện giữa các tế bào được thực hiện thông qua các tấm lưỡng cực, đóng vai trò quan trọng trong việc thải khí tạo ra. Nhóm cực dương, cực âm và màng tạo thành cụm điện cực màng (MEA). Điện cực thường được làm từ các kim loại quý như bạch kim hoặc iridium. Ở cực dương, nước bị oxy hóa để tạo ra oxy, electron và proton. Ở cực âm, oxy, electron và proton do cực dương tạo ra sẽ lưu thông qua màng đến cực âm, nơi chúng bị khử để tạo ra khí hydro. Nguyên lý của máy điện phân PEM được thể hiện trong hình.
Pin điện phân PEM thường được sử dụng để sản xuất hydro quy mô nhỏ, với sản lượng hydro tối đa khoảng 30Nm3/h và mức tiêu thụ điện năng là 174kW. So với tế bào kiềm, tốc độ sản xuất hydro thực tế của tế bào PEM gần như bao phủ toàn bộ phạm vi giới hạn. Tế bào PEM có thể hoạt động ở mật độ dòng điện A cao hơn tế bào kiềm, thậm chí lên tới 1,6A/cm2 và hiệu suất điện phân là 48% -65%. Do màng polymer không chịu được nhiệt độ cao nên nhiệt độ của tế bào điện phân thường dưới 80°C. Máy điện phân Hoeller đã phát triển công nghệ bề mặt tế bào được tối ưu hóa cho máy điện phân PEM nhỏ. Các tế bào có thể được thiết kế theo yêu cầu, giảm lượng kim loại quý và tăng áp suất vận hành. Ưu điểm chính của máy điện phân PEM là quá trình sản xuất hydro thay đổi gần như đồng bộ với năng lượng cung cấp, phù hợp với sự thay đổi nhu cầu hydro. Các tế bào Hoeller phản ứng với những thay đổi về mức tải 0-100% trong vài giây. Công nghệ được cấp bằng sáng chế của Hoeller đang trải qua các thử nghiệm xác nhận và cơ sở thử nghiệm sẽ được xây dựng vào cuối năm 2020.
Độ tinh khiết của hydro do tế bào PEM tạo ra có thể lên tới 99,99%, cao hơn so với tế bào kiềm. Ngoài ra, độ thấm khí cực thấp của màng polymer giúp giảm nguy cơ hình thành hỗn hợp dễ cháy, cho phép máy điện phân hoạt động ở mật độ dòng điện cực thấp. Độ dẫn điện của nước cấp vào máy điện phân phải nhỏ hơn 1S/cm. Do sự vận chuyển proton qua màng polymer phản ứng nhanh với sự dao động điện năng nên tế bào PEM có thể hoạt động ở các chế độ cung cấp điện khác nhau. Mặc dù tế bào PEM đã được thương mại hóa nhưng nó vẫn có một số nhược điểm, chủ yếu là chi phí đầu tư cao và chi phí cao cho cả điện cực màng và kim loại quý. Ngoài ra, tuổi thọ của tế bào PEM ngắn hơn so với tế bào kiềm. Trong tương lai, khả năng sản xuất hydro của tế bào PEM cần phải được cải thiện rất nhiều.
Thời gian đăng: Feb-02-2023