Membrana schimbătoare de protoni (PEM) tehnologia de producere a hidrogenului în apă electrolitică progres și analiză economică

În 1966, General Electric Company a dezvoltat o celulă electrolitică a apei bazată pe conceptul de conducție a protonilor, folosind membrana polimerică ca electrolit.Celulele PEM au fost comercializate de General Electric în 1978.În prezent, compania produce mai puține celule PEM, în principal din cauza producției limitate de hidrogen, a duratei de viață scurte și a costurilor de investiții ridicate.O celulă PEM are o structură bipolară, iar conexiunile electrice între celule se realizează prin plăci bipolare, care joacă un rol important în descărcarea gazelor generate.Anodul, catodul și grupul de membrană formează ansamblul electrod cu membrană (MEA). Electrodul este de obicei compus din metale prețioase precum platină sau iridiu.La anod, apa este oxidată pentru a produce oxigen, electroni și protoni.La catod, oxigenul, electronii și protonii produși de anod circulă prin membrană către catod, unde sunt reduse pentru a produce hidrogen gazos.Principiul electrolizatorului PEM este prezentat în figură.

Celulele electrolitice PEM sunt de obicei folosite pentru producția de hidrogen la scară mică, cu o producție maximă de hidrogen de aproximativ 30 Nm3/h și un consum de energie de 174 kW.În comparație cu celula alcalină, rata reală de producție de hidrogen a celulei PEM acoperă aproape întreaga limită.Celula PEM poate funcționa la o densitate de curent A mai mare decât celula alcalină, chiar și până la 1,6 A/cm2, iar eficiența electrolitică este de 48%-65%.Deoarece filmul de polimer nu este rezistent la temperaturi ridicate, temperatura celulei electrolitice este adesea sub 80°C.Electrolizorul Hoeller a dezvoltat o tehnologie de suprafață celulară optimizată pentru electrolizoarele PEM mici. Celulele pot fi proiectate conform cerințelor, reducând cantitatea de metale prețioase și crescând presiunea de funcționare.Principalul avantaj al electrolizatorului PEM este că producția de hidrogen se modifică aproape sincron cu energia furnizată, ceea ce este potrivit pentru schimbarea cererii de hidrogen.Celulele Hoeller răspund la modificările de sarcină 0-100% în secunde.Tehnologia patentată a lui Hoeller este supusă unor teste de validare, iar instalația de testare va fi construită până la sfârșitul anului 2020.

Puritatea hidrogenului produs de celulele PEM poate fi de până la 99,99%, ceea ce este mai mare decât cel al celulelor alcaline.În plus, permeabilitatea extrem de scăzută la gaz a membranei polimerice reduce riscul formării de amestecuri inflamabile, permițând electrolizorului să funcționeze la densități de curent extrem de scăzute.Conductivitatea apei furnizate electrolizorului trebuie să fie mai mică de 1S/cm.Deoarece transportul de protoni prin membrana polimerică răspunde rapid la fluctuațiile de putere, celulele PEM pot funcționa în diferite moduri de alimentare cu energie.Deși celula PEM a fost comercializată, are unele dezavantaje, în principal costul ridicat de investiție și costul ridicat atât pentru electrozi pe bază de membrană, cât și pentru metale prețioase.În plus, durata de viață a celulelor PEM este mai scurtă decât cea a celulelor alcaline.În viitor, capacitatea celulei PEM de a produce hidrogen trebuie să fie mult îmbunătățită.