Proton utbyte membran (PEM) elektrolytisk vatten väte produktionsteknik framsteg och ekonomisk analys

1966 utvecklade General Electric Company vattenelektrolytiska celler baserade på protonledningskoncept, med polymermembran som elektrolyt.PEM-celler kommersialiserades av General Electric 1978.För närvarande producerar företaget färre PEM-celler, främst på grund av dess begränsade väteproduktion, korta livslängd och höga investeringskostnad.En PEM-cell har en bipolär struktur, och elektriska förbindelser mellan celler görs genom bipolära plattor, som spelar en viktig roll för att urladda de genererade gaserna.Anoden, katoden och membrangruppen bildar membranelektrodaggregatet (MEA). Elektroden är vanligtvis sammansatt av ädelmetaller som platina eller iridium.Vid anoden oxideras vatten för att producera syre, elektroner och protoner.Vid katoden cirkulerar syre, elektroner och protoner som produceras av anoden genom membranet till katoden, där de reduceras för att producera vätgas.Principen för PEM-elektrolysör visas i figuren.

PEM-elektrolytiska celler används vanligtvis för småskalig väteproduktion, med en maximal väteproduktion på cirka 30Nm3/h och en effektförbrukning på 174kW.Jämfört med alkaliska celler täcker den faktiska väteproduktionshastigheten för PEM-celler nästan hela gränsområdet.PEM-cellen kan arbeta med en högre strömtäthet än den alkaliska cellen, till och med upp till 1,6A/cm2, och den elektrolytiska effektiviteten är 48%-65%.Eftersom polymerfilmen inte är motståndskraftig mot höga temperaturer är temperaturen i elektrolytcellen ofta under 80°C.Hoeller elektrolysör har utvecklat en optimerad cellyteteknologi för små PEM elektrolysörer. Cellerna kan utformas enligt kraven, vilket minskar mängden ädelmetaller och ökar driftstrycket.Den största fördelen med PEM elektrolysör är att väteproduktionen förändras nästan synkront med den tillförda energin, vilket är lämpligt för förändring av vätebehovet.Hoeller-celler svarar på 0-100 % belastningsändringar på några sekunder.Hoellers patenterade teknologi genomgår valideringstester och testanläggningen kommer att byggas i slutet av 2020.

Renheten hos väte som produceras av PEM-celler kan vara så hög som 99,99 %, vilket är högre än för alkaliska celler.Dessutom minskar polymermembranets extremt låga gaspermeabilitet risken för att bilda brandfarliga blandningar, vilket gör att elektrolysatorn kan arbeta vid extremt låga strömtätheter.Konduktiviteten hos vattnet som tillförs elektrolysatorn måste vara mindre än 1S/cm.Eftersom protontransport över polymermembranet reagerar snabbt på effektfluktuationer kan PEM-celler fungera i olika strömförsörjningslägen.Även om PEM-cellen har kommersialiserats har den vissa nackdelar, främst den höga investeringskostnaden och de höga kostnaderna för både membran- och ädelmetallbaserade elektroder.Dessutom är livslängden för PEM-celler kortare än för alkaliska celler.I framtiden måste PEM-cellens kapacitet att producera väte förbättras avsevärt.