三一氫能“氫言氫語”｜質子交換膜電解水制氫

PEM電解水技術利用質子交換膜高效分解水，產生氫氣和氧氣。它具有高電流密度、快速響應和緊湊結構優勢，適合與可再生能源結合，但面臨催化劑成本高和膜耐久性挑戰。

質子交換膜（Proton Exchange Membrane Electrolysis，簡稱PEM電解水）電解水制氫采用質子交換膜作為電解質,在陽極和陰極分別發生以下化學反應，即：

陽極:2H2O=O2+4H++4e-

陰極:4H++4e-=2H2

（質子交換膜工作原理）

質子交換膜電解水（Proton Exchange Membrane Electrolysis，簡稱PEM電解水）是一種高效的水電解技術，主要用于將水分解為氫氣和氧氣。PEM電解水裝置由電解槽和輔助系統組成，其中電解槽的核心部件包括膜電極、氣體擴散層和雙極板。

電解槽中的膜電極是質子交換膜電解裝置的關鍵部件之一。質子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱PEM）兩側涂敷有催化層，形成膜電極。陰極催化劑通常為鉑系催化劑，這與燃料電池中的陰極催化劑類似，能夠有效促進氫氣生成。而陽極催化劑的要求則更加苛刻，因為在陽極側存在強氧化性環境，析氧反應需要使用抗氧化、耐腐蝕的催化劑材料。目前，銥（Ir）、釕（Ru）及其氧化物（如IrO?、RuO?）是最常用的陽極催化劑，這些材料具有優異的穩定性和催化性能，能夠在高電流密度下保持良好的電解效率。

（Nafion 質子交換膜的微觀分子結構）

質子交換膜（PEM）在PEM電解水裝置中起到了至關重要的作用。常用的質子交換膜材料是Nafion系列膜，如Nafion 115和Nafion 117膜，這些膜材料具有高質子導電性和化學穩定性，能夠有效隔離氣體并傳導質子。由于質子交換膜非常薄，其電阻較小，這使得PEM電解水裝置可以承受較大的電流和更高的壓力，同時無需嚴格控制膜兩側的壓力。此外，PEM電解水裝置具有快速啟動和停止的能力，并能夠快速響應功率調節，適用于可再生能源發電的波動性輸入。

氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，簡稱GDL）是PEM電解水裝置的另一個重要組成部分。氣體擴散層通常采用表面鍍有貴金屬的鈦基多孔材料，這些材料不僅具有良好的導電性和機械強度，還能夠提供均勻的氣體擴散路徑，從而提高電解效率和氣體產量。

雙極板（Bipolar Plate）是PEM電解槽中的另一個關鍵部件，通常由高導電性、耐腐蝕的材料制成，如鈦或涂覆貴金屬的材料。雙極板在電解槽中起到電流收集和分布的作用，同時還需要具備優異的導電性和耐腐蝕性能，以保證電解槽的長時間穩定運行。

（PEM 電解槽核心結構）

PEM電解水技術具有許多優點。首先，質子交換膜的高質子導電性和低電阻使得PEM電解槽可以在高電流密度下運行，從而提高了氫氣產量。其次，PEM電解水裝置的結構緊湊，具有較高的功率密度，可以在有限的空間內實現較大的氫氣產能。此外，PEM電解水裝置能夠快速啟動和停止，適應可再生能源發電的波動性特點，因此非常適合與風能、太陽能等可再生能源結合，實現綠電制氫。

然而，PEM電解水技術也面臨一些挑戰。首先是催化劑的成本問題，特別是陽極催化劑所需的銥、釕等貴金屬材料價格昂貴，限制了大規模應用。其次，質子交換膜和氣體擴散層的耐久性和化學穩定性也是需要進一步研究和優化的問題。隨著材料科學和制造技術的不斷進步，相信這些問題在未來會逐步得到解決。

總之，PEM電解水技術在氫氣制備領域展現出巨大的潛力，特別是在結合可再生能源發電方面，具有明顯的優勢。通過不斷地技術改進和優化，PEM電解水有望成為未來綠電制氫的主流技術路線之一，為清潔能源的推廣和應用做出重要貢獻。