Protonutbytesmembranelektrolys(PEM-elektrolys) använder enprotonbytesmembransom elektrolyten, där följande kemiska reaktioner sker vid anoden och katoden:
Anod:
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
Katod:
4H+ + 4e-> 2H2
PEM-elektrolys är en effektivvattenelektrolysteknik som främst används för att dela vatten i väte och syre. PEM-elektrolysanordningen består av en elektrolysör och hjälpsystem, med elektrolysatorns kärnkomponenter inklusive membranelektroden, gasdiffusionsskiktet och bipolära plattor. Membranelektroden är en av nyckelkomponenterna iprotonbytesmembranelektrolysanordning. Protonbytesmembranet (PEM) är belagd med katalytiska skikt på båda sidor, som bildar membranelektroden. Katodkatalysatorn är vanligtvis en platinabaserad katalysator, liknande den som används ibränsleceller, som effektivt främjarvätegenerering. Kraven på anodkatalysatorn är strängare på grund av den starkt oxidativa miljön på anodsidan; syreutvecklingsreaktionen kräver användning av oxidationsbeständiga och korrosionsbeständiga katalytiska material. För närvarande är iridium (Ir), rutenium (Ru) och deras oxider (såsom IrO2 och RuO2) de mest använda anodkatalysatorerna, eftersom dessa material uppvisar utmärkt stabilitet och katalytisk prestanda, vilket bibehåller god elektrolyseffektivitet vid höga strömtätheter.
Deprotonbytesmembran (PEM)spelar en avgörande roll iPEM-elektrolysenheter. Vanligt använda PEM-material inkluderar Nafion-serien, såsom Nafion 115 och Nafion 117, som har hög protonledningsförmåga och kemisk stabilitet, som effektivt isolerar gaser och leder protoner. På grund av protonbytesmembranets tunnhet är dess motstånd lågt, vilket gör att PEM-elektrolysanordningen kan motstå höga strömmar och tryck utan strikt tryckkontroll på båda sidor av membranet. Dessutom kan PEM-elektrolysanordningar starta och stoppa snabbt och reagera snabbt på effektjusteringar, vilket gör dem lämpliga för fluktuerande tillförsel från förnybara energikällor.
Gasdiffusionslagret (GDL) är en annan viktig komponent i PEM-elektrolysanordningar. GDL är vanligtvis gjord av porösa titanbaserade material belagda med ädelmetaller, som inte bara ger god ledningsförmåga och mekanisk styrka utan också erbjuder en enhetlig gasdiffusionsväg, vilket förbättrar elektrolyseffektiviteten och gasproduktionen.
PEM-elektrolysteknik har många fördelar. För det första tillåter den höga protonledningsförmågan och låga resistansen hos protonbytesmembranet PEM-elektrolysörer att arbeta vid höga strömtätheter, vilket ökar väteproduktionen. För det andra möjliggör den kompakta strukturen hos PEM-elektrolysanordningar hög effekttäthet, vilket möjliggör betydande väteproduktion inom begränsat utrymme. Dessutom kan PEM-elektrolysenheter snabbt starta och stoppa, anpassa sig till variationen i förnybar energiproduktion, vilket gör dem särskilt lämpade för integration med vind- och solenergi för produktion av grönt väte.
Dock,PEM-elektrolystekniken står också inför vissa utmaningar. Den första är kostnaden för katalysatorer, särskilt de dyra ädelmetaller som iridium och rutenium som krävs för anodkatalysatorn, vilket begränsar storskalig tillämpning. Dessutom är hållbarheten och den kemiska stabiliteten hosprotonbytesmembranoch gasdiffusionsskikt behöver ytterligare forskning och optimering. Med pågående framsteg inom materialvetenskap och tillverkningsteknik, tror man att dessa frågor gradvis kommer att åtgärdas i framtiden.
Avslutningsvis,PEM-elektrolysTeknologin visar betydande potential inom väteproduktion, särskilt i samband med förnybar energiproduktion, vilket erbjuder tydliga fördelar. Genom kontinuerliga tekniska förbättringar och optimeringar förväntas PEM-elektrolys bli en av de vanligaste tekniska vägarna för produktion av grönt väte i framtiden, vilket ger ett viktigt bidrag till främjandet och tillämpningen av ren energi.
