三一氫能“氫言氫語”｜質(zhì)子交換膜電解水制氫

PEM電解水技術(shù)利用質(zhì)子交換膜高效分解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣。它具有高電流密度、快速響應(yīng)和緊湊結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，適合與可再生能源結(jié)合，但面臨催化劑成本高和膜耐久性挑戰(zhàn)。

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

陽極:2H2O=O2+4H++4e-

陰極:4H++4e-=2H2

（質(zhì)子交換膜工作原理）

質(zhì)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(shù)，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(tǒng)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(zhì)子交換膜電解裝置的關(guān)鍵部件之一。質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱PEM）兩側(cè)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(cè)存在強氧化性環(huán)境，析氧反應(yīng)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(yōu)異的穩(wěn)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(zhì)子交換膜的微觀分子結(jié)構(gòu)）

質(zhì)子交換膜（PEM）在PEM電解水裝置中起到了至關(guān)重要的作用。常用的質(zhì)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(zhì)子導電性和化學穩(wěn)定性，能夠有效隔離氣體并傳導質(zhì)子。由于質(zhì)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(cè)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(yīng)功率調(diào)節(jié)，適用于可再生能源發(fā)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(chǎn)量。

雙極板（Bipolar Plate）是PEM電解槽中的另一個關(guān)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(yōu)異的導電性和耐腐蝕性能，以保證電解槽的長時間穩(wěn)定運行。

（PEM 電解槽核心結(jié)構(gòu)）

PEM電解水技術(shù)具有許多優(yōu)點。首先，質(zhì)子交換膜的高質(zhì)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(chǎn)量。其次，PEM電解水裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的功率密度，可以在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)較大的氫氣產(chǎn)能。此外，PEM電解水裝置能夠快速啟動和停止，適應(yīng)可再生能源發(fā)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(jié)合，實現(xiàn)綠電制氫。

然而，PEM電解水技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)。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(guī)模應(yīng)用。其次，質(zhì)子交換膜和氣體擴散層的耐久性和化學穩(wěn)定性也是需要進一步研究和優(yōu)化的問題。隨著材料科學和制造技術(shù)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(shù)在氫氣制備領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，特別是在結(jié)合可再生能源發(fā)電方面，具有明顯的優(yōu)勢。通過不斷地技術(shù)改進和優(yōu)化，PEM電解水有望成為未來綠電制氫的主流技術(shù)路線之一，為清潔能源的推廣和應(yīng)用做出重要貢獻。