Điện phân màng trao đổi proton(Điện phân PEM) sử dụng mộtmàng trao đổi protonlà chất điện phân, trong đó các phản ứng hóa học sau xảy ra ở cực dương và cực âm:
Cực dương:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Cực âm:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
Điện phân PEM là một phương pháp hiệu quảđiện phân nướccông nghệ chủ yếu được sử dụng để phân tách nước thành hydro và oxy. Thiết bị điện phân PEM bao gồm một máy điện phân và các hệ thống phụ trợ, với các thành phần cốt lõi của máy điện phân bao gồm điện cực màng, lớp khuếch tán khí và các tấm lưỡng cực. Điện cực màng là một trong những thành phần chính củamàng trao đổi protonthiết bị điện phân. Màng trao đổi proton (PEM) được phủ lớp xúc tác ở cả hai mặt, tạo thành điện cực màng. Chất xúc tác catốt thường là chất xúc tác gốc platin, tương tự như chất xúc tác được sử dụng trongpin nhiên liệu, có hiệu quả thúc đẩysản xuất hydro. Các yêu cầu đối với chất xúc tác anot nghiêm ngặt hơn do môi trường oxy hóa mạnh ở phía anot; phản ứng giải phóng oxy đòi hỏi phải sử dụng vật liệu xúc tác chống oxy hóa và chống ăn mòn. Hiện nay, iridi (Ir), rutheni (Ru) và các oxit của chúng (như IrO₂ và RuO₂) là những chất xúc tác anot được sử dụng phổ biến nhất, vì các vật liệu này thể hiện tính ổn định và hiệu suất xúc tác tuyệt vời, duy trì hiệu suất điện phân tốt ở mật độ dòng điện cao.
Cácmàng trao đổi proton (PEM)đóng vai trò quan trọng trongĐiện phân PEMthiết bị. Các vật liệu PEM thường được sử dụng bao gồm dòng Nafion, chẳng hạn như Nafion 115 và Nafion 117, có độ dẫn proton cao và độ ổn định hóa học, cô lập hiệu quả các khí và dẫn proton. Do màng trao đổi proton mỏng nên điện trở của nó thấp, cho phép thiết bị điện phân PEM chịu được dòng điện và áp suất cao mà không cần kiểm soát áp suất nghiêm ngặt ở cả hai mặt của màng. Hơn nữa, các thiết bị điện phân PEM có thể khởi động và dừng nhanh chóng, phản ứng nhanh với các điều chỉnh công suất, khiến chúng phù hợp với các đầu vào dao động từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Lớp khuếch tán khí (GDL) là một thành phần quan trọng khác của thiết bị điện phân PEM. GDL thường được làm bằng vật liệu titan xốp phủ kim loại quý, không chỉ cung cấp độ dẫn điện và độ bền cơ học tốt mà còn cung cấp đường khuếch tán khí đồng đều, do đó tăng cường hiệu quả điện phân và sản xuất khí.
Điện phân PEMcông nghệ có nhiều ưu điểm. Đầu tiên, độ dẫn proton cao và điện trở thấp của màng trao đổi proton cho phép các máy điện phân PEM hoạt động ở mật độ dòng điện cao, tăng sản lượng hydro. Thứ hai, cấu trúc nhỏ gọn của các thiết bị điện phân PEM cho phép mật độ công suất cao, cho phép sản xuất hydro đáng kể trong không gian hạn chế. Ngoài ra, các thiết bị điện phân PEM có thể nhanh chóng khởi động và dừng lại, thích ứng với sự thay đổi của quá trình tạo ra năng lượng tái tạo, khiến chúng đặc biệt phù hợp để tích hợp với năng lượng gió và năng lượng mặt trời để sản xuất hydro xanh.
Tuy nhiên,Điện phân PEMcông nghệ cũng phải đối mặt với một số thách thức. Đầu tiên là chi phí chất xúc tác, đặc biệt là các kim loại quý đắt tiền như iridium và rutheni cần thiết cho chất xúc tác anode, điều này hạn chế ứng dụng quy mô lớn. Hơn nữa, độ bền và tính ổn định hóa học củamàng trao đổi protonvà lớp khuếch tán khí cần được nghiên cứu và tối ưu hóa thêm. Với những tiến bộ liên tục trong khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất, người ta tin rằng những vấn đề này sẽ dần được giải quyết trong tương lai.
Tóm lại,Điện phân PEMcông nghệ cho thấy tiềm năng đáng kể trong sản xuất hydro, đặc biệt là kết hợp với sản xuất năng lượng tái tạo, mang lại những lợi thế riêng biệt. Thông qua các cải tiến và tối ưu hóa công nghệ liên tục, điện phân PEM dự kiến sẽ trở thành một trong những tuyến công nghệ chính thống để sản xuất hydro xanh trong tương lai, đóng góp quan trọng vào việc thúc đẩy và ứng dụng năng lượng sạch.
