Protonenuitwisselingsmembraan-elektrolyse(PEM-elektrolyse) gebruikt eenprotonenuitwisselingsmembraanals elektrolyt, waarbij de volgende chemische reacties plaatsvinden bij de anode en kathode:
Anode:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Kathode:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
PEM-elektrolyse is een efficiëntewaterelektrolysetechnologie die voornamelijk wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Het PEM-elektrolyseapparaat bestaat uit een elektrolyser en hulpsystemen, waarbij de kerncomponenten van de elektrolyser de membraanelektrode, gasdiffusielaag en bipolaire platen omvatten. De membraanelektrode is een van de belangrijkste componenten van deprotonenuitwisselingsmembraanelektrolyse-apparaat. Het protonenuitwisselingsmembraan (PEM) is aan beide kanten bedekt met katalytische lagen, die de membraanelektrode vormen. De kathodekatalysator is doorgaans een op platina gebaseerde katalysator, vergelijkbaar met die gebruikt inbrandstofcellen, die effectief bevordertwaterstofgeneratie. De vereisten voor de anodekatalysator zijn strenger vanwege de sterk oxidatieve omgeving aan de anodezijde; de zuurstofontwikkelingsreactie vereist het gebruik van oxidatiebestendige en corrosiebestendige katalytische materialen. Momenteel zijn iridium (Ir), ruthenium (Ru) en hun oxiden (zoals IrO₂ en RuO₂) de meest gebruikte anodekatalysatoren, omdat deze materialen uitstekende stabiliteit en katalytische prestaties vertonen, en een goede elektrolyse-efficiëntie behouden bij hoge stroomdichtheden.
Deprotonenuitwisselingsmembraan (PEM)speelt een cruciale rol inPEM-elektrolyseapparaten. Veelgebruikte PEM-materialen omvatten de Nafion-serie, zoals Nafion 115 en Nafion 117, die een hoge protongeleiding en chemische stabiliteit hebben, gassen effectief isoleren en protonen geleiden. Vanwege de dunheid van het protonuitwisselingsmembraan is de weerstand laag, waardoor het PEM-elektrolyseapparaat hoge stromen en drukken kan weerstaan zonder strenge drukregeling aan beide zijden van het membraan. Bovendien kunnen PEM-elektrolyseapparaten snel starten en stoppen, en snel reageren op vermogensaanpassingen, waardoor ze geschikt zijn voor fluctuerende invoer van hernieuwbare energiebronnen.
De Gas Diffusion Layer (GDL) is een ander belangrijk onderdeel van PEM-elektrolyseapparaten. De GDL is doorgaans gemaakt van poreuze materialen op basis van titanium, gecoat met edelmetalen, die niet alleen een goede geleiding en mechanische sterkte bieden, maar ook een uniform gasdiffusiepad, waardoor de elektrolyse-efficiëntie en gasproductie worden verbeterd.
PEM-elektrolysetechnologie heeft veel voordelen. Ten eerste zorgen de hoge protongeleiding en lage weerstand van het protonuitwisselingsmembraan ervoor dat PEM-elektrolyzers kunnen werken bij hoge stroomdichtheden, waardoor de waterstofproductie toeneemt. Ten tweede maakt de compacte structuur van PEM-elektrolyseapparaten een hoge vermogensdichtheid mogelijk, waardoor er binnen een beperkte ruimte aanzienlijke waterstofproductie mogelijk is. Bovendien kunnen PEM-elektrolyseapparaten snel starten en stoppen, waardoor ze zich aanpassen aan de variabiliteit van de opwekking van hernieuwbare energie, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor integratie met wind- en zonne-energie voor de productie van groene waterstof.
Echter,PEM-elektrolysetechnologie kent ook enkele uitdagingen. De eerste is de kostprijs van katalysatoren, met name de dure edelmetalen zoals iridium en ruthenium die nodig zijn voor de anodekatalysator, wat grootschalige toepassing beperkt. Bovendien zijn de duurzaamheid en chemische stabiliteit van deprotonenuitwisselingsmembraanen gasdiffusielaag hebben verder onderzoek en optimalisatie nodig. Met de voortdurende vooruitgang in materiaalkunde en productietechnologie wordt aangenomen dat deze problemen in de toekomst geleidelijk zullen worden aangepakt.
Concluderend,PEM-elektrolysetechnologie toont een aanzienlijk potentieel in waterstofproductie, met name in combinatie met hernieuwbare energieopwekking, wat duidelijke voordelen biedt. Door voortdurende technologische verbeteringen en optimalisaties wordt verwacht dat PEM-elektrolyse in de toekomst een van de belangrijkste technologische routes voor groene waterstofproductie zal worden, wat een belangrijke bijdrage levert aan de promotie en toepassing van schone energie.
