Protonenaustauschmembran-Elektrolyse(PEM-Elektrolyse) verwendet eineProtonenaustauschmembranals Elektrolyt, wobei an Anode und Kathode folgende chemische Reaktionen stattfinden:
Anode:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Kathode:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
Die PEM-Elektrolyse ist eine effizienteWasserelektrolyseTechnologie, die hauptsächlich zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird. Das PEM-Elektrolysegerät besteht aus einem Elektrolyseur und Hilfssystemen, wobei die Kernkomponenten des Elektrolyseurs die Membranelektrode, die Gasdiffusionsschicht und die Bipolarplatten umfassen. Die Membranelektrode ist eine der Schlüsselkomponenten desProtonenaustauschmembranElektrolysegerät. Die Protonenaustauschmembran (PEM) ist beidseitig mit katalytischen Schichten beschichtet, die die Membranelektrode bilden. Der Kathodenkatalysator ist typischerweise ein Platin-basierter Katalysator, ähnlich dem inBrennstoffzellen, die effektiv fördertWasserstofferzeugung. Die Anforderungen an den Anodenkatalysator sind aufgrund der stark oxidativen Umgebung auf der Anodenseite strenger; die Sauerstoffentwicklungsreaktion erfordert den Einsatz oxidations- und korrosionsbeständiger Katalysatormaterialien. Derzeit sind Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und ihre Oxide (wie IrO₂ und RuO₂) die am häufigsten verwendeten Anodenkatalysatoren, da diese Materialien eine ausgezeichnete Stabilität und katalytische Leistung aufweisen und bei hohen Stromdichten eine gute Elektrolyseeffizienz aufrechterhalten.
DerProtonenaustauschmembran (PEM)spielt eine entscheidende Rolle beiPEM-ElektrolyseGeräte. Häufig verwendete PEM-Materialien umfassen die Nafion-Reihe, wie Nafion 115 und Nafion 117, die eine hohe Protonenleitfähigkeit und chemische Stabilität aufweisen, Gase effektiv isolieren und Protonen leiten. Aufgrund der Dünnheit der Protonenaustauschmembran ist ihr Widerstand gering, sodass das PEM-Elektrolysegerät hohen Strömen und Drücken standhalten kann, ohne dass auf beiden Seiten der Membran eine strenge Druckkontrolle erforderlich ist. Darüber hinaus können PEM-Elektrolysegeräte schnell starten und stoppen und reagieren schnell auf Leistungsanpassungen, wodurch sie für schwankende Einspeisungen aus erneuerbaren Energiequellen geeignet sind.
Die Gasdiffusionsschicht (GDL) ist ein weiterer wichtiger Bestandteil von PEM-Elektrolysegeräten. Die GDL besteht normalerweise aus porösen, titanbasierten Materialien, die mit Edelmetallen beschichtet sind. Diese sorgen nicht nur für gute Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit, sondern bieten auch einen gleichmäßigen Gasdiffusionsweg und verbessern so die Elektrolyseeffizienz und Gasproduktion.
PEM-ElektrolyseDie Technologie bietet viele Vorteile. Erstens können PEM-Elektrolyseure dank der hohen Protonenleitfähigkeit und des geringen Widerstands der Protonenaustauschmembran mit hohen Stromdichten arbeiten, was die Wasserstoffproduktion steigert. Zweitens ermöglicht die kompakte Struktur von PEM-Elektrolysegeräten eine hohe Leistungsdichte, wodurch eine erhebliche Wasserstoffproduktion auf begrenztem Raum möglich ist. Darüber hinaus können PEM-Elektrolysegeräte schnell gestartet und gestoppt werden und passen sich so an die Variabilität der Erzeugung erneuerbarer Energien an. Dadurch eignen sie sich besonders für die Integration mit Wind- und Solarenergie zur Produktion von grünem Wasserstoff.
Jedoch,PEM-ElektrolyseDie Technologie steht jedoch vor einigen Herausforderungen. Die erste sind die Kosten der Katalysatoren, insbesondere der teuren Edelmetalle wie Iridium und Ruthenium, die für den Anodenkatalysator benötigt werden, was die Anwendung im großen Maßstab einschränkt. Darüber hinaus sind die Haltbarkeit und chemische Stabilität derProtonenaustauschmembranund Gasdiffusionsschicht müssen weiter erforscht und optimiert werden. Mit den fortschreitenden Fortschritten in der Materialwissenschaft und Fertigungstechnologie ist davon auszugehen, dass diese Probleme in Zukunft nach und nach gelöst werden können.
Abschließend,PEM-ElektrolyseDie Technologie weist ein erhebliches Potenzial bei der Wasserstoffproduktion auf, insbesondere in Verbindung mit der Erzeugung erneuerbarer Energien, und bietet deutliche Vorteile. Durch kontinuierliche technologische Verbesserungen und Optimierungen dürfte sich die PEM-Elektrolyse in Zukunft zu einem der wichtigsten technologischen Wege zur Produktion von grünem Wasserstoff entwickeln und einen wichtigen Beitrag zur Förderung und Anwendung sauberer Energie leisten.
