Elektrolýza protonové výměnné membrány(PEM elektrolýza) používá amembrána pro výměnu protonůjako elektrolyt, kde na anodě a katodě probíhají následující chemické reakce:
Anoda:
2H20 -> 02 + 4H+ + 4e-
Katoda:
4H+ + 4e- -> 2H2
PEM elektrolýza je účinnáelektrolýza vodytechnologie primárně používaná k štěpení vody na vodík a kyslík. Elektrolyzér PEM se skládá z elektrolyzéru a pomocných systémů, přičemž základní součásti elektrolyzéru zahrnují membránovou elektrodu, vrstvu difúze plynu a bipolární desky. Membránová elektroda je jednou z klíčových součástímembrána pro výměnu protonůelektrolýzním zařízením. membrána pro výměnu protonů (PEM) je na obou stranách potažen katalytickými vrstvami, které tvoří membránovou elektrodu. Katodový katalyzátor je typicky katalyzátor na bázi platiny, podobný tomu, který se používá vpalivové články, která účinně propagujegenerování vodíku. Požadavky na anodový katalyzátor jsou přísnější kvůli silně oxidačnímu prostředí na straně anody; reakce vývoje kyslíku vyžaduje použití katalytických materiálů odolných proti oxidaci a korozi. V současné době jsou nejběžněji používanými anodovými katalyzátory iridium (Ir), ruthenium (Ru) a jejich oxidy (jako IrO₂ a RuO₂), protože tyto materiály vykazují vynikající stabilitu a katalytický výkon a udržují dobrou účinnost elektrolýzy při vysokých proudových hustotách.
Theprotonová výměnná membrána (PEM)hraje kritickou roliPEM elektrolýzazařízení. Mezi běžně používané materiály PEM patří řada Nafion, jako je Nafion 115 a Nafion 117, které mají vysokou protonovou vodivost a chemickou stabilitu, účinně izolují plyny a vodí protony. Vzhledem k tenkosti membrány pro výměnu protonů je její odpor nízký, což umožňuje elektrolýznímu zařízení PEM odolávat vysokým proudům a tlakům bez přísné kontroly tlaku na obou stranách membrány. Zařízení pro elektrolýzu PEM se navíc mohou rychle spouštět a zastavovat, rychle reagovat na úpravy výkonu, což je činí vhodnými pro kolísavé vstupy z obnovitelných zdrojů energie.
Gas Diffusion Layer (GDL) je další důležitou součástí elektrolýzních zařízení PEM. GDL je obvykle vyroben z porézních materiálů na bázi titanu potažených drahými kovy, které nejenže poskytují dobrou vodivost a mechanickou pevnost, ale také nabízejí jednotnou cestu difúze plynu, čímž se zvyšuje účinnost elektrolýzy a produkce plynu.
PEM elektrolýzatechnologie má mnoho výhod. Za prvé, vysoká protonová vodivost a nízký odpor protonové výměnné membrány umožňují elektrolyzérům PEM pracovat při vysokých proudových hustotách, což zvyšuje produkci vodíku. Za druhé, kompaktní struktura elektrolýzních zařízení PEM umožňuje vysokou hustotu výkonu, což umožňuje významnou produkci vodíku v omezeném prostoru. Zařízení pro elektrolýzu PEM se navíc mohou rychle spouštět a zastavovat a přizpůsobovat se variabilitě výroby obnovitelné energie, což je činí zvláště vhodnými pro integraci s větrnou a solární energií pro výrobu zeleného vodíku.
Však,PEM elektrolýzatechnologie také čelí určitým výzvám. Prvním z nich jsou náklady na katalyzátory, zejména drahé drahé kovy, jako je iridium a ruthenium potřebné pro anodový katalyzátor, což omezuje použití ve velkém měřítku. Dále trvanlivost a chemická stabilitamembrána pro výměnu protonůa plynová difúzní vrstva potřebují další výzkum a optimalizaci. S neustálým pokrokem ve vědě o materiálech a výrobní technologii se věří, že tyto problémy budou v budoucnu postupně řešeny.
Na závěr,PEM elektrolýzatechnologie demonstruje významný potenciál ve výrobě vodíku, zejména ve spojení s výrobou obnovitelné energie, a nabízí výrazné výhody. Očekává se, že díky neustálým technologickým vylepšením a optimalizacím se elektrolýza PEM v budoucnu stane jednou z hlavních technologických cest pro výrobu zeleného vodíku a významně přispěje k podpoře a aplikaci čisté energie.
