Électrolyse par membrane échangeuse de protons(Électrolyse PEM) utilise unmembrane échangeuse de protonscomme électrolyte, où les réactions chimiques suivantes se produisent à l'anode et à la cathode :
Anode:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Cathode:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
L'électrolyse PEM est une méthode efficaceélectrolyse de l'eautechnologie principalement utilisée pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. Le dispositif d'électrolyse PEM se compose d'un électrolyseur et de systèmes auxiliaires, les composants principaux de l'électrolyseur comprenant l'électrode à membrane, la couche de diffusion de gaz et les plaques bipolaires. L'électrode à membrane est l'un des composants clés dumembrane échangeuse de protonsdispositif d'électrolyse. La membrane échangeuse de protons (PEM) est recouvert de couches catalytiques sur les deux côtés, formant l'électrode à membrane. Le catalyseur cathodique est généralement un catalyseur à base de platine, similaire à celui utilisé dansPiles à combustible, qui favorise efficacementproduction d'hydrogèneLes exigences relatives au catalyseur anodique sont plus strictes en raison de l'environnement fortement oxydant du côté anodique ; la réaction de dégagement d'oxygène nécessite l'utilisation de matériaux catalytiques résistants à l'oxydation et à la corrosion. Actuellement, l'iridium (Ir), le ruthénium (Ru) et leurs oxydes (tels que IrO₂ et RuO₂) sont les catalyseurs anodiques les plus couramment utilisés, car ces matériaux présentent une excellente stabilité et des performances catalytiques, maintenant une bonne efficacité d'électrolyse à des densités de courant élevées.
Lemembrane échangeuse de protons (PEM)joue un rôle essentiel dansÉlectrolyse PEMLes matériaux PEM couramment utilisés comprennent la série Nafion, comme le Nafion 115 et le Nafion 117, qui présentent une conductivité protonique et une stabilité chimique élevées, isolant efficacement les gaz et conduisant les protons. En raison de la finesse de la membrane échangeuse de protons, sa résistance est faible, ce qui permet au dispositif d'électrolyse PEM de supporter des courants et des pressions élevés sans contrôle de pression rigoureux des deux côtés de la membrane. De plus, les dispositifs d'électrolyse PEM peuvent démarrer et s'arrêter rapidement, répondant rapidement aux ajustements de puissance, ce qui les rend adaptés aux apports fluctuants des sources d'énergie renouvelables.
La couche de diffusion de gaz (GDL) est un autre composant important des dispositifs d'électrolyse PEM. La GDL est généralement constituée de matériaux poreux à base de titane recouverts de métaux précieux, qui offrent non seulement une bonne conductivité et une bonne résistance mécanique, mais également un chemin de diffusion de gaz uniforme, améliorant ainsi l'efficacité de l'électrolyse et la production de gaz.
Électrolyse PEMLa technologie PEM présente de nombreux avantages. Tout d'abord, la conductivité protonique élevée et la faible résistance de la membrane échangeuse de protons permettent aux électrolyseurs PEM de fonctionner à des densités de courant élevées, augmentant ainsi la production d'hydrogène. Deuxièmement, la structure compacte des dispositifs d'électrolyse PEM permet une densité de puissance élevée, ce qui permet une production importante d'hydrogène dans un espace limité. De plus, les dispositifs d'électrolyse PEM peuvent démarrer et s'arrêter rapidement, s'adaptant à la variabilité de la production d'énergie renouvelable, ce qui les rend particulièrement adaptés à l'intégration avec l'énergie éolienne et solaire pour la production d'hydrogène vert.
Cependant,Électrolyse PEMLa technologie est également confrontée à certains défis. Le premier est le coût des catalyseurs, en particulier les métaux précieux coûteux comme l'iridium et le ruthénium nécessaires au catalyseur anodique, ce qui limite l'application à grande échelle. En outre, la durabilité et la stabilité chimique du catalyseurmembrane échangeuse de protonset la couche de diffusion des gaz nécessitent des recherches et des optimisations supplémentaires. Grâce aux progrès continus de la science des matériaux et de la technologie de fabrication, on pense que ces problèmes seront progressivement résolus à l'avenir.
En conclusion,Électrolyse PEMLa technologie PEM présente un potentiel considérable dans la production d'hydrogène, notamment en association avec la production d'énergie renouvelable, offrant des avantages distinctifs. Grâce à des améliorations et des optimisations technologiques continues, l'électrolyse PEM devrait devenir l'une des principales voies technologiques pour la production d'hydrogène vert à l'avenir, contribuant ainsi de manière importante à la promotion et à l'application de l'énergie propre.
