三一氢能“氢言氢语”｜质子交换膜电解水制氢

PEM电解水技术利用质子交换膜高效分解水，产生氢气和氧气。它具有高电流密度、快速响应和紧凑结构优势，适合与可再生能源结合，但面临催化剂成本高和膜耐久性挑战。

质子交换膜（Proton Exchange Membrane Electrolysis，简称PEM电解水）电解水制氢采用质子交换膜作为电解质,在阳极和阴极分别发生以下化学反应，即：

阳极:2H2O=O2+4H++4e-

阴极:4H++4e-=2H2

（质子交换膜工作原理）

质子交换膜电解水（Proton Exchange Membrane Electrolysis，简称PEM电解水）是一种高效的水电解技术，主要用于将水分解为氢气和氧气。PEM电解水装置由电解槽和辅助系统组成，其中电解槽的核心部件包括膜电极、气体扩散层和双极板。

电解槽中的膜电极是质子交换膜电解装置的关键部件之一。质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）两侧涂敷有催化层，形成膜电极。阴极催化剂通常为铂系催化剂，这与燃料电池中的阴极催化剂类似，能够有效促进氢气生成。而阳极催化剂的要求则更加苛刻，因为在阳极侧存在强氧化性环境，析氧反应需要使用抗氧化、耐腐蚀的催化剂材料。目前，铱（Ir）、钌（Ru）及其氧化物（如IrO?、RuO?）是最常用的阳极催化剂，这些材料具有优异的稳定性和催化性能，能够在高电流密度下保持良好的电解效率。

（Nafion 质子交换膜的微观分子结构）

质子交换膜（PEM）在PEM电解水装置中起到了至关重要的作用。常用的质子交换膜材料是Nafion系列膜，如Nafion 115和Nafion 117膜，这些膜材料具有高质子导电性和化学稳定性，能够有效隔离气体并传导质子。由于质子交换膜非常薄，其电阻较小，这使得PEM电解水装置可以承受较大的电流和更高的压力，同时无需严格控制膜两侧的压力。此外，PEM电解水装置具有快速启动和停止的能力，并能够快速响应功率调节，适用于可再生能源发电的波动性输入。

气体扩散层（Gas Diffusion Layer，简称GDL）是PEM电解水装置的另一个重要组成部分。气体扩散层通常采用表面镀有贵金属的钛基多孔材料，这些材料不仅具有良好的导电性和机械强度，还能够提供均匀的气体扩散路径，从而提高电解效率和气体产量。

双极板（Bipolar Plate）是PEM电解槽中的另一个关键部件，通常由高导电性、耐腐蚀的材料制成，如钛或涂覆贵金属的材料。双极板在电解槽中起到电流收集和分布的作用，同时还需要具备优异的导电性和耐腐蚀性能，以保证电解槽的长时间稳定运行。

（PEM 电解槽核心结构）

PEM电解水技术具有许多优点。首先，质子交换膜的高质子导电性和低电阻使得PEM电解槽可以在高电流密度下运行，从而提高了氢气产量。其次，PEM电解水装置的结构紧凑，具有较高的功率密度，可以在有限的空间内实现较大的氢气产能。此外，PEM电解水装置能够快速启动和停止，适应可再生能源发电的波动性特点，因此非常适合与风能、太阳能等可再生能源结合，实现绿电制氢。

然而，PEM电解水技术也面临一些挑战。首先是催化剂的成本问题，特别是阳极催化剂所需的铱、钌等贵金属材料价格昂贵，限制了大规模应用。其次，质子交换膜和气体扩散层的耐久性和化学稳定性也是需要进一步研究和优化的问题。随着材料科学和制造技术的不断进步，相信这些问题在未来会逐步得到解决。

总之，PEM电解水技术在氢气制备领域展现出巨大的潜力，特别是在结合可再生能源发电方面，具有明显的优势。通过不断地技术改进和优化，PEM电解水有望成为未来绿电制氢的主流技术路线之一，为清洁能源的推广和应用做出重要贡献。