ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนน้ำด้วยไฟฟ้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)

ในปี พ.ศ. 2509 บริษัท General Electric ได้พัฒนาเซลล์อิเล็กโทรไลต์ในน้ำตามแนวคิดการนำโปรตอน โดยใช้เมมเบรนโพลิเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์เซลล์ PEM ถูกขายโดย General Electric ในปี 1978ปัจจุบัน บริษัทผลิตเซลล์ PEM ได้น้อยลง สาเหตุหลักมาจากการผลิตไฮโดรเจนที่จำกัด อายุการใช้งานสั้น และค่าใช้จ่ายในการลงทุนสูงเซลล์ PEM มีโครงสร้างแบบสองขั้ว และการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเซลล์จะทำผ่านแผ่นสองขั้ว ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการปล่อยก๊าซที่สร้างขึ้นกลุ่มแอโนด แคโทด และเมมเบรนประกอบกันเป็นชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) อิเล็กโทรดมักประกอบด้วยโลหะมีค่า เช่น แพลทินัมหรืออิริเดียมที่ขั้วบวก น้ำจะถูกออกซิไดซ์เพื่อผลิตออกซิเจน อิเล็กตรอน และโปรตอนที่แคโทด ออกซิเจน อิเล็กตรอน และโปรตอนที่ผลิตโดยแอโนดจะหมุนเวียนผ่านเมมเบรนไปยังแคโทด ซึ่งพวกมันจะถูกรีดิวซ์เพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนหลักการของอิเล็กโทรไลต์ PEM แสดงอยู่ในรูป

เซลล์อิเล็กโทรไลต์ PEM มักใช้สำหรับการผลิตไฮโดรเจนขนาดเล็ก โดยมีการผลิตไฮโดรเจนสูงสุดประมาณ 30Nm3/h และการใช้พลังงาน 174kWเมื่อเทียบกับเซลล์อัลคาไลน์ อัตราการผลิตไฮโดรเจนที่แท้จริงของเซลล์ PEM เกือบจะครอบคลุมช่วงขีดจำกัดทั้งหมดเซลล์ PEM สามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงกว่าเซลล์อัลคาไลน์ถึง 1.6A/cm2 และประสิทธิภาพอิเล็กโทรไลต์อยู่ที่ 48%-65%เนื่องจากฟิล์มโพลิเมอร์ไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง อุณหภูมิของเซลล์อิเล็กโทรไลต์มักจะต่ำกว่า 80°CHoeller อิเล็กโทรไลเซอร์ได้พัฒนาเทคโนโลยีพื้นผิวเซลล์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอิเล็กโทรไลต์ PEM ขนาดเล็ก เซลล์สามารถออกแบบตามความต้องการ ลดปริมาณโลหะมีค่าและเพิ่มแรงดันในการทำงานข้อได้เปรียบหลักของอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM คือการผลิตไฮโดรเจนเปลี่ยนแปลงเกือบพร้อมกันกับพลังงานที่จ่าย ซึ่งเหมาะสำหรับการเปลี่ยนแปลงของความต้องการไฮโดรเจนเซลล์ Hoeller ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอัตราโหลด 0-100% ในไม่กี่วินาทีเทคโนโลยีที่จดสิทธิบัตรของ Hoeller อยู่ระหว่างการทดสอบเพื่อรับรอง และศูนย์ทดสอบจะถูกสร้างขึ้นภายในสิ้นปี 2563

ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่ผลิตโดยเซลล์ PEM สามารถสูงถึง 99.99% ซึ่งสูงกว่าเซลล์อัลคาไลน์นอกจากนี้ การซึมผ่านของก๊าซที่ต่ำมากของเยื่อโพลิเมอร์ยังช่วยลดความเสี่ยงในการก่อตัวของสารผสมที่ติดไฟได้ ทำให้อิเล็กโทรไลเซอร์สามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสต่ำมากได้ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำที่จ่ายให้กับอิเล็กโทรไลเซอร์ต้องน้อยกว่า 1 วินาที/ซม.เนื่องจากการขนส่งโปรตอนผ่านเยื่อโพลิเมอร์ตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อความผันผวนของพลังงาน เซลล์ PEM จึงสามารถทำงานในโหมดการจ่ายพลังงานที่แตกต่างกันแม้ว่าเซลล์ PEM จะถูกนำไปขายในเชิงพาณิชย์ แต่ก็มีข้อเสียบางประการ โดยหลักแล้วคือต้นทุนการลงทุนที่สูงและค่าใช้จ่ายที่สูงของทั้งเมมเบรนและอิเล็กโทรดที่ทำจากโลหะมีค่านอกจากนี้ อายุการใช้งานของเซลล์ PEM ยังสั้นกว่าเซลล์อัลคาไลน์ในอนาคต ความสามารถของเซลล์ PEM ในการผลิตไฮโดรเจนจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงอย่างมาก