Πρόοδος και οικονομική ανάλυση της τεχνολογίας παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρολυτική μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM).

Το 1966, η General Electric Company ανέπτυξε ηλεκτρολυτικό στοιχείο νερού βασισμένο στην έννοια της αγωγιμότητας πρωτονίων, χρησιμοποιώντας πολυμερή μεμβράνη ως ηλεκτρολύτη.Τα κύτταρα ΡΕΜ διατέθηκαν στο εμπόριο από την General Electric το 1978.Επί του παρόντος, η εταιρεία παράγει λιγότερα κύτταρα PEM, κυρίως λόγω της περιορισμένης παραγωγής υδρογόνου, της μικρής διάρκειας ζωής και του υψηλού κόστους επένδυσης.Ένα στοιχείο PEM έχει διπολική δομή και οι ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των κυψελών γίνονται μέσω διπολικών πλακών, οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση των παραγόμενων αερίων.Η άνοδος, η κάθοδος και η ομάδα μεμβράνης σχηματίζουν το συγκρότημα ηλεκτροδίων μεμβράνης (MEA). Το ηλεκτρόδιο συνήθως αποτελείται από πολύτιμα μέταλλα όπως η πλατίνα ή το ιρίδιο.Στην άνοδο, το νερό οξειδώνεται για να παράγει οξυγόνο, ηλεκτρόνια και πρωτόνια.Στην κάθοδο, το οξυγόνο, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια που παράγονται από την άνοδο κυκλοφορούν μέσω της μεμβράνης στην κάθοδο, όπου ανάγεται για την παραγωγή αερίου υδρογόνου.Η αρχή του ηλεκτρολύτη PEM φαίνεται στο σχήμα.

Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα PEM χρησιμοποιούνται συνήθως για μικρής κλίμακας παραγωγή υδρογόνου, με μέγιστη παραγωγή υδρογόνου περίπου 30 Nm3/h και κατανάλωση ισχύος 174 kW.Σε σύγκριση με το αλκαλικό στοιχείο, ο πραγματικός ρυθμός παραγωγής υδρογόνου του στοιχείου PEM καλύπτει σχεδόν ολόκληρο το όριο.Το στοιχείο PEM μπορεί να λειτουργήσει με μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος από το αλκαλικό στοιχείο, ακόμη και έως 1,6A/cm2, και η ηλεκτρολυτική απόδοση είναι 48%-65%.Επειδή το φιλμ πολυμερούς δεν είναι ανθεκτικό σε υψηλή θερμοκρασία, η θερμοκρασία του ηλεκτρολυτικού στοιχείου είναι συχνά κάτω από 80°C.Η Hoeller electrolyzer έχει αναπτύξει μια βελτιστοποιημένη τεχνολογία επιφάνειας κυψέλης για μικρούς ηλεκτρολύτες PEM. Οι κυψέλες μπορούν να σχεδιαστούν σύμφωνα με τις απαιτήσεις, μειώνοντας την ποσότητα πολύτιμων μετάλλων και αυξάνοντας την πίεση λειτουργίας.Το κύριο πλεονέκτημα του ηλεκτρολύτη PEM είναι ότι η παραγωγή υδρογόνου αλλάζει σχεδόν συγχρονισμένα με την παρεχόμενη ενέργεια, η οποία είναι κατάλληλη για την αλλαγή της ζήτησης υδρογόνου.Οι κυψέλες Hoeller ανταποκρίνονται σε αλλαγές βαθμολόγησης φορτίου 0-100% σε δευτερόλεπτα.Η κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τεχνολογία του Hoeller υποβάλλεται σε δοκιμές επικύρωσης και η μονάδα δοκιμών θα κατασκευαστεί μέχρι το τέλος του 2020.

Η καθαρότητα του υδρογόνου που παράγεται από τα κύτταρα PEM μπορεί να φτάσει το 99,99%, το οποίο είναι υψηλότερο από αυτό των αλκαλικών κυττάρων.Επιπλέον, η εξαιρετικά χαμηλή διαπερατότητα αερίων της μεμβράνης πολυμερούς μειώνει τον κίνδυνο σχηματισμού εύφλεκτων μιγμάτων, επιτρέποντας στον ηλεκτρολύτη να λειτουργεί σε εξαιρετικά χαμηλές πυκνότητες ρεύματος.Η αγωγιμότητα του νερού που παρέχεται στον ηλεκτρολύτη πρέπει να είναι μικρότερη από 1 S/cm.Επειδή η μεταφορά πρωτονίων μέσω της μεμβράνης του πολυμερούς ανταποκρίνεται γρήγορα στις διακυμάνσεις ισχύος, τα κύτταρα PEM μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικούς τρόπους τροφοδοσίας.Αν και το στοιχείο ΡΕΜ έχει διατεθεί στο εμπόριο, έχει ορισμένα μειονεκτήματα, κυρίως το υψηλό κόστος επένδυσης και το υψηλό κόστος ηλεκτροδίων τόσο με βάση τη μεμβράνη όσο και από πολύτιμα μέταλλα.Επιπλέον, η διάρκεια ζωής των κυττάρων PEM είναι μικρότερη από αυτή των αλκαλικών κυττάρων.Στο μέλλον, η ικανότητα του κυττάρου PEM να παράγει υδρογόνο πρέπει να βελτιωθεί σημαντικά.