Protoncserélő membrán (PEM) elektrolitikus víz-hidrogén előállítási technológiai fejlődés és gazdasági elemzés

1966-ban a General Electric Company kifejlesztett egy protonvezetési koncepción alapuló vízelektrolitikus cellát, amely polimer membránt használt elektrolitként.A PEM cellákat a General Electric 1978-ban hozta forgalomba.Jelenleg a vállalat kevesebb PEM-cellát gyárt, főként korlátozott hidrogéntermelése, rövid élettartama és magas beruházási költsége miatt.A PEM cella bipoláris felépítésű, a cellák közötti elektromos kapcsolatokat bipoláris lemezeken keresztül alakítják ki, amelyek fontos szerepet játszanak a keletkező gázok elvezetésében.Az anód, a katód és a membráncsoport alkotja a membránelektród-szerelvényt (MEA). Az elektróda általában nemesfémekből, például platinából vagy irídiumból áll.Az anódnál a víz oxidálódik, így oxigén, elektronok és protonok keletkeznek.A katódon az anód által termelt oxigén, elektronok és protonok a membránon keresztül a katódra keringenek, ahol redukálva hidrogéngázt állítanak elő.A PEM elektrolizáló elve az ábrán látható.

A PEM elektrolitikus cellákat általában kisüzemi hidrogéntermelésre használják, a maximális hidrogéntermelés körülbelül 30 Nm3/h, az energiafogyasztás pedig 174 kW.A lúgos cellához képest a PEM cella tényleges hidrogéntermelési sebessége majdnem lefedi a teljes határtartományt.A PEM cella A nagyobb áramsűrűséggel tud működni, mint a lúgos cella, akár 1,6 A/cm2-ig, az elektrolitikus hatásfoka pedig 48%-65%.Mivel a polimer film nem ellenáll a magas hőmérsékletnek, az elektrolitikus cella hőmérséklete gyakran 80 °C alatt van.A Hoeller elektrolizátor optimalizált cellafelületi technológiát fejlesztett ki kis PEM elektrolizátorokhoz. A cellák az igényeknek megfelelően alakíthatók ki, csökkentve a nemesfém mennyiségét és növelve az üzemi nyomást.A PEM elektrolizátor fő előnye, hogy a hidrogéntermelés szinte szinkronban változik a szolgáltatott energiával, ami alkalmas a hidrogénigény változására.A Hoeller cellák másodpercek alatt reagálnak a 0-100%-os terhelési besorolás változásaira.A Hoeller szabadalmaztatott technológiája érvényesítési teszteken megy keresztül, és a tesztüzem 2020 végére megépül.

A PEM-sejtek által termelt hidrogén tisztasága akár 99,99% is lehet, ami magasabb, mint a lúgos sejteké.Ezenkívül a polimer membrán rendkívül alacsony gázáteresztő képessége csökkenti a gyúlékony keverékek képződésének kockázatát, lehetővé téve az elektrolizátor rendkívül alacsony áramsűrűség melletti működését.Az elektrolizátorba betáplált víz vezetőképességének 1S/cm-nél kisebbnek kell lennie.Mivel a polimer membránon keresztüli protontranszport gyorsan reagál a teljesítmény-ingadozásokra, a PEM-cellák különböző tápellátási módokban működhetnek.Bár a PEM cellát kereskedelmi forgalomba hozták, van néhány hátránya, főként a magas beruházási költség és a membrán- és nemesfém alapú elektródák magas költsége.Ráadásul a PEM cellák élettartama rövidebb, mint a lúgos celláké.A jövőben nagymértékben javítani kell a PEM-cellák hidrogéntermelési kapacitását.