Membrana a scambio protonico (PEM) progresso della tecnologia di produzione di idrogeno acqua elettrolitica e analisi economica

Nel 1966, la General Electric Company sviluppò una cella elettrolitica ad acqua basata sul concetto di conduzione protonica, utilizzando una membrana polimerica come elettrolita.Le celle PEM sono state commercializzate da General Electric nel 1978.Attualmente, l'azienda produce meno celle PEM, principalmente a causa della limitata produzione di idrogeno, della breve durata e degli elevati costi di investimento.Una cella PEM ha una struttura bipolare e le connessioni elettriche tra le celle sono realizzate tramite piastre bipolari, che svolgono un ruolo importante nello scarico dei gas generati.L'anodo, il catodo e il gruppo membrana formano il gruppo elettrodo membrana (MEA). L'elettrodo è solitamente composto da metalli preziosi come platino o iridio.All'anodo, l'acqua viene ossidata per produrre ossigeno, elettroni e protoni.Al catodo, l'ossigeno, gli elettroni ei protoni prodotti dall'anodo circolano attraverso la membrana fino al catodo, dove vengono ridotti per produrre idrogeno gassoso.Il principio dell'elettrolizzatore PEM è mostrato nella figura.

Le celle elettrolitiche PEM sono solitamente utilizzate per la produzione di idrogeno su piccola scala, con una produzione massima di idrogeno di circa 30Nm3/he un consumo energetico di 174kW.Rispetto alla cella alcalina, l'attuale tasso di produzione di idrogeno della cella PEM copre quasi l'intero intervallo limite.La cella PEM può lavorare a una densità di corrente maggiore rispetto alla cella alcalina, anche fino a 1,6 A/cm2, e l'efficienza elettrolitica è del 48%-65%.Poiché il film polimerico non è resistente alle alte temperature, la temperatura della cella elettrolitica è spesso inferiore a 80°C.L'elettrolizzatore Hoeller ha sviluppato una tecnologia di superficie cellulare ottimizzata per piccoli elettrolizzatori PEM. Le celle possono essere progettate in base alle esigenze, riducendo la quantità di metalli preziosi e aumentando la pressione di esercizio.Il vantaggio principale dell'elettrolizzatore PEM è che la produzione di idrogeno cambia quasi in modo sincrono con l'energia fornita, che è adatta al cambiamento della domanda di idrogeno.Le celle Hoeller rispondono in pochi secondi alle variazioni del carico nominale dello 0-100%.La tecnologia brevettata di Hoeller è in fase di test di convalida e l'impianto di prova sarà costruito entro la fine del 2020.

La purezza dell'idrogeno prodotto dalle celle PEM può raggiungere il 99,99%, che è superiore a quella delle celle alcaline.Inoltre, la bassissima permeabilità ai gas della membrana polimerica riduce il rischio di formazione di miscele infiammabili, consentendo all'elettrolizzatore di operare a densità di corrente estremamente basse.La conducibilità dell'acqua fornita all'elettrolizzatore deve essere inferiore a 1S/cm.Poiché il trasporto di protoni attraverso la membrana polimerica risponde rapidamente alle fluttuazioni di potenza, le celle PEM possono funzionare in diverse modalità di alimentazione.Sebbene la cella PEM sia stata commercializzata, presenta alcuni svantaggi, principalmente l'elevato costo di investimento e l'elevato costo degli elettrodi sia a membrana che a base di metalli preziosi.Inoltre, la durata delle celle PEM è inferiore a quella delle celle alcaline.In futuro, la capacità della cella PEM di produrre idrogeno dovrà essere notevolmente migliorata.