Elektroliza membrany wymiany protonów(Elektroliza PEM) używamembrana wymiany protonówjako elektrolit, gdzie na anodzie i katodzie zachodzą następujące reakcje chemiczne:
Anoda:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Katoda:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
Elektroliza PEM jest efektywną metodąelektroliza wodytechnologia stosowana głównie do rozdzielania wody na wodór i tlen. Urządzenie do elektrolizy PEM składa się z elektrolizera i układów pomocniczych, przy czym główne elementy elektrolizera obejmują elektrodę membranową, warstwę dyfuzji gazu i płyty bipolarne. Elektroda membranowa jest jednym z kluczowych elementówmembrana wymiany protonówurządzenie do elektrolizy. Membrana wymiany protonów (PEM) jest pokryta warstwami katalitycznymi po obu stronach, tworząc elektrodę membranową. Katalizator katodowy jest zazwyczaj katalizatorem na bazie platyny, podobnym do tego stosowanego wogniwa paliwowe, który skutecznie promujegeneracja wodoruWymagania dla katalizatora anodowego są bardziej rygorystyczne ze względu na silnie utleniające środowisko po stronie anody; reakcja wydzielania tlenu wymaga użycia materiałów katalitycznych odpornych na utlenianie i korozję. Obecnie iryd (Ir), ruten (Ru) i ich tlenki (takie jak IrO₂ i RuO₂) są najczęściej stosowanymi katalizatorami anodowymi, ponieważ materiały te wykazują doskonałą stabilność i wydajność katalityczną, utrzymując dobrą wydajność elektrolizy przy wysokich gęstościach prądu.
Tenmembrana wymiany protonów (PEM)odgrywa kluczową rolę wElektroliza PEMurządzenia. Do powszechnie stosowanych materiałów PEM należą seria Nafion, takie jak Nafion 115 i Nafion 117, które mają wysoką przewodność protonów i stabilność chemiczną, skutecznie izolując gazy i przewodząc protony. Ze względu na cienkość membrany wymiany protonów jej rezystancja jest niska, co pozwala urządzeniu elektrolizy PEM wytrzymać wysokie prądy i ciśnienia bez rygorystycznej kontroli ciśnienia po obu stronach membrany. Ponadto urządzenia elektrolizy PEM mogą szybko się uruchamiać i zatrzymywać, szybko reagując na zmiany mocy, co czyni je odpowiednimi do zmiennych danych wejściowych ze źródeł energii odnawialnej.
Warstwa dyfuzji gazu (GDL) jest kolejnym ważnym elementem urządzeń elektrolizy PEM. GDL jest zazwyczaj wykonana z porowatych materiałów na bazie tytanu pokrytych metalami szlachetnymi, które nie tylko zapewniają dobrą przewodność i wytrzymałość mechaniczną, ale także oferują jednolitą ścieżkę dyfuzji gazu, zwiększając w ten sposób wydajność elektrolizy i produkcję gazu.
Elektroliza PEMtechnologia ma wiele zalet. Po pierwsze, wysoka przewodność protonów i niska rezystancja membrany wymiany protonów pozwalają elektrolizerom PEM na pracę przy wysokich gęstościach prądu, zwiększając produkcję wodoru. Po drugie, kompaktowa struktura urządzeń elektrolizy PEM umożliwia wysoką gęstość mocy, umożliwiając znaczną produkcję wodoru w ograniczonej przestrzeni. Ponadto urządzenia elektrolizy PEM mogą szybko się uruchamiać i zatrzymywać, dostosowując się do zmienności wytwarzania energii odnawialnej, co czyni je szczególnie odpowiednimi do integracji z energią wiatrową i słoneczną w celu produkcji zielonego wodoru.
Jednakże,Elektroliza PEMtechnologia również napotyka pewne wyzwania. Pierwszym z nich jest koszt katalizatorów, szczególnie drogich metali szlachetnych, takich jak iryd i ruten, wymaganych do katalizatora anodowego, co ogranicza zastosowanie na dużą skalę. Ponadto trwałość i stabilność chemicznamembrana wymiany protonówi warstwa dyfuzyjna gazu wymagają dalszych badań i optymalizacji. Wraz z trwającym postępem w nauce o materiałach i technologii produkcji uważa się, że te problemy będą stopniowo rozwiązywane w przyszłości.
Podsumowując,Elektroliza PEMtechnologia wykazuje znaczny potencjał w produkcji wodoru, szczególnie w połączeniu z wytwarzaniem energii odnawialnej, oferując wyraźne korzyści. Dzięki ciągłym udoskonaleniom technologicznym i optymalizacjom elektroliza PEM ma stać się jedną z głównych technologicznych dróg produkcji zielonego wodoru w przyszłości, wnosząc istotny wkład w promocję i stosowanie czystej energii.
