Proton exchange membrane (PEM) elektrolytisk vann hydrogen produksjon teknologi fremgang og økonomisk analyse

I 1966 utviklet General Electric Company vannelektrolyseceller basert på protonledningskonsept, ved bruk av polymermembran som elektrolytt.PEM-celler ble kommersialisert av General Electric i 1978.For tiden produserer selskapet færre PEM-celler, hovedsakelig på grunn av begrenset hydrogenproduksjon, korte levetid og høye investeringskostnader.En PEM-celle har en bipolar struktur, og elektriske forbindelser mellom cellene lages gjennom bipolare plater, som spiller en viktig rolle i å slippe ut de genererte gassene.Anoden, katoden og membrangruppen danner membranelektrodesammenstillingen (MEA). Elektroden er vanligvis sammensatt av edle metaller som platina eller iridium.Ved anoden oksideres vann for å produsere oksygen, elektroner og protoner.Ved katoden sirkulerer oksygenet, elektronene og protonene produsert av anoden gjennom membranen til katoden, hvor de reduseres for å produsere hydrogengass.Prinsippet til PEM-elektrolysator er vist i figuren.

PEM-elektrolyseceller brukes vanligvis til småskala hydrogenproduksjon, med en maksimal hydrogenproduksjon på ca. 30Nm3/t og et strømforbruk på 174kW.Sammenlignet med alkaliske celler, dekker den faktiske hydrogenproduksjonshastigheten til PEM-celler nesten hele grenseområdet.PEM-cellen kan arbeide med en høyere strømtetthet enn den alkaliske cellen, selv opp til 1,6A/cm2, og den elektrolytiske effektiviteten er 48%-65%.Fordi polymerfilmen ikke er motstandsdyktig mot høy temperatur, er temperaturen i elektrolysecellen ofte under 80°C.Hoeller elektrolyser har utviklet en optimalisert celleoverflateteknologi for små PEM elektrolysatorer. Cellene kan utformes i henhold til kravene, redusere mengden edle metaller og øke driftstrykket.Hovedfordelen med PEM-elektrolysator er at hydrogenproduksjonen endres nesten synkront med energien som tilføres, noe som er egnet for endring av hydrogenbehov.Hoeller-cellene reagerer på 0-100 % belastningsendringer i løpet av sekunder.Hoellers patenterte teknologi gjennomgår valideringstester, og testanlegget skal bygges innen utgangen av 2020.

Renheten til hydrogen produsert av PEM-celler kan være så høy som 99,99 %, som er høyere enn for alkaliske celler.I tillegg reduserer den ekstremt lave gasspermeabiliteten til polymermembranen risikoen for dannelse av brennbare blandinger, slik at elektrolysatoren kan operere ved ekstremt lave strømtettheter.Konduktiviteten til vannet som tilføres elektrolysatoren må være mindre enn 1S/cm.Fordi protontransport over polymermembranen reagerer raskt på strømsvingninger, kan PEM-celler operere i forskjellige strømforsyningsmoduser.Selv om PEM-cellen har blitt kommersialisert, har den noen ulemper, hovedsakelig de høye investeringskostnadene og de høye utgiftene til både membran- og edelmetallbaserte elektroder.I tillegg er levetiden til PEM-celler kortere enn for alkaliske celler.I fremtiden må kapasiteten til PEM-cellene til å produsere hydrogen forbedres betydelig.