Fortschritt der Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolysewasser-Wasserstoffproduktionstechnologie und wirtschaftliche Analyse

1966 entwickelte die General Electric Company eine Wasserelektrolysezelle basierend auf einem Protonenleitungskonzept unter Verwendung einer Polymermembran als Elektrolyt.PEM-Zellen wurden 1978 von General Electric kommerzialisiert.Derzeit produziert das Unternehmen weniger PEM-Zellen, hauptsächlich wegen der begrenzten Wasserstoffproduktion, der kurzen Lebensdauer und der hohen Investitionskosten.Eine PEM-Zelle hat eine bipolare Struktur, und elektrische Verbindungen zwischen den Zellen werden durch Bipolarplatten hergestellt, die eine wichtige Rolle beim Ableiten der erzeugten Gase spielen.Anode, Kathode und Membrangruppe bilden die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Die Elektrode besteht üblicherweise aus Edelmetallen wie Platin oder Iridium.An der Anode wird Wasser zu Sauerstoff, Elektronen und Protonen oxidiert.An der Kathode zirkulieren der von der Anode erzeugte Sauerstoff, die Elektronen und die Protonen durch die Membran zur Kathode, wo sie reduziert werden, um Wasserstoffgas zu erzeugen.Das Prinzip des PEM-Elektrolyseurs ist in der Abbildung dargestellt.

PEM-Elektrolysezellen werden normalerweise für die Wasserstoffproduktion im kleinen Maßstab verwendet, mit einer maximalen Wasserstoffproduktion von etwa 30 Nm3/h und einem Stromverbrauch von 174 kW.Verglichen mit einer Alkalizelle deckt die tatsächliche Wasserstoffproduktionsrate einer PEM-Zelle fast den gesamten Grenzbereich ab.Die PEM-Zelle kann mit einer höheren Stromdichte als die Alkalizelle arbeiten, sogar bis zu 1,6 A/cm2, und der elektrolytische Wirkungsgrad beträgt 48 % bis 65 %.Da der Polymerfilm nicht hochtemperaturbeständig ist, liegt die Temperatur der Elektrolysezelle oft unter 80°C.Hoeller electrolyzer hat eine optimierte Zelloberflächentechnologie für kleine PEM-Elektrolyseure entwickelt. Die Zellen können den Anforderungen entsprechend ausgelegt werden, wodurch der Edelmetallanteil reduziert und der Betriebsdruck erhöht wird.Der Hauptvorteil des PEM-Elektrolyseurs besteht darin, dass sich die Wasserstoffproduktion nahezu synchron mit der zugeführten Energie ändert, was für die Änderung des Wasserstoffbedarfs geeignet ist.Höller-Zellen reagieren sekundenschnell auf Lastwechsel von 0-100 %.Die patentierte Technologie von Höller wird Validierungstests unterzogen, und die Testanlage wird bis Ende 2020 gebaut.

Die Reinheit des von PEM-Zellen erzeugten Wasserstoffs kann bis zu 99,99 % betragen, was höher ist als die von Alkalizellen.Darüber hinaus verringert die extrem niedrige Gasdurchlässigkeit der Polymermembran das Risiko der Bildung brennbarer Gemische, wodurch der Elektrolyseur mit extrem niedrigen Stromdichten betrieben werden kann.Die Leitfähigkeit des dem Elektrolyseur zugeführten Wassers muss kleiner als 1S/cm sein.Da der Protonentransport durch die Polymermembran schnell auf Leistungsschwankungen reagiert, können PEM-Zellen in verschiedenen Stromversorgungsmodi betrieben werden.Obwohl die PEM-Zelle kommerzialisiert wurde, hat sie einige Nachteile, hauptsächlich die hohen Investitionskosten und die hohen Kosten sowohl für Elektroden auf Membran- als auch auf Edelmetallbasis.Außerdem ist die Lebensdauer von PEM-Zellen kürzer als die von Alkali-Zellen.In Zukunft muss die Kapazität von PEM-Zellen zur Erzeugung von Wasserstoff stark verbessert werden.