Protonska izmenjevalna membrana (PEM) elektrolitska voda Napredek tehnologije proizvodnje vodika in ekonomska analiza

Leta 1966 je podjetje General Electric razvilo vodno elektrolitsko celico, ki temelji na konceptu protonske prevodnosti, pri čemer je kot elektrolit uporabila polimerno membrano.Celice PEM je leta 1978 tržil General Electric.Trenutno podjetje proizvaja manj celic PEM, predvsem zaradi omejene proizvodnje vodika, kratke življenjske dobe in visokih investicijskih stroškov.Celica PEM ima bipolarno strukturo, električne povezave med celicami pa potekajo preko bipolarnih plošč, ki imajo pomembno vlogo pri odvajanju nastalih plinov.Anoda, katoda in membranska skupina tvorijo sklop membranske elektrode (MEA). Elektroda je običajno sestavljena iz plemenitih kovin, kot sta platina ali iridij.Na anodi se voda oksidira, da nastanejo kisik, elektroni in protoni.Na katodi kisik, elektroni in protoni, ki jih proizvede anoda, krožijo skozi membrano do katode, kjer se reducirajo v vodikov plin.Načelo PEM elektrolizatorja je prikazano na sliki.

Elektrolitske celice PEM se običajno uporabljajo za proizvodnjo vodika v majhnem obsegu, z največjo proizvodnjo vodika približno 30 Nm3/h in porabo energije 174 kW.V primerjavi z alkalno celico dejanska stopnja proizvodnje vodika celice PEM skoraj pokriva celotno mejno območje.Celica PEM lahko deluje pri višji gostoti toka kot alkalna celica, tudi do 1,6 A/cm2, elektrolitska učinkovitost pa je 48%-65%.Ker polimerni film ni odporen na visoke temperature, je temperatura elektrolitske celice pogosto pod 80°C.Hoeller electrolyzer je razvil optimizirano tehnologijo celične površine za majhne PEM elektrolizerje. Celice je mogoče oblikovati glede na zahteve, zmanjšati količino plemenitih kovin in povečati delovni tlak.Glavna prednost PEM elektrolizatorja je, da se proizvodnja vodika spreminja skoraj sinhrono z dobavljeno energijo, kar je primerno za spremembo povpraševanja po vodiku.Hoellerjeve celice se v nekaj sekundah odzovejo na spremembe obremenitve 0-100 %.Hoellerjeva patentirana tehnologija je v fazi validacijskih testov, testni objekt pa bo zgrajen do konca leta 2020.

Čistost vodika, ki ga proizvajajo celice PEM, je lahko celo 99,99 %, kar je več kot pri alkalnih celicah.Poleg tega izredno nizka plinoprepustnost polimerne membrane zmanjša tveganje za nastanek vnetljivih zmesi, kar omogoča delovanje elektrolizerja pri izjemno nizkih gostotah toka.Prevodnost vode, ki se dovaja v elektrolizer, mora biti manjša od 1S/cm.Ker se transport protonov skozi polimerno membrano hitro odziva na nihanja moči, lahko celice PEM delujejo v različnih načinih napajanja.Čeprav je bila celica PEM komercializirana, ima nekaj pomanjkljivosti, predvsem visoke investicijske stroške in visoke stroške membranskih elektrod in elektrod na osnovi plemenitih kovin.Poleg tega je življenjska doba celic PEM krajša od življenjske dobe alkalnih celic.V prihodnosti je treba zmogljivost celic PEM za proizvodnjo vodika močno izboljšati.