Elettrolisi a membrana a scambio protonico(Elettrolisi PEM) utilizza unmembrana a scambio protonicocome elettrolita, dove all'anodo e al catodo si verificano le seguenti reazioni chimiche:
Anodo:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Catodo:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
L'elettrolisi PEM è un metodo efficienteelettrolisi dell'acquatecnologia utilizzata principalmente per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Il dispositivo di elettrolisi PEM è costituito da un elettrolizzatore e sistemi ausiliari, con i componenti principali dell'elettrolizzatore che includono l'elettrodo a membrana, lo strato di diffusione del gas e le piastre bipolari. L'elettrodo a membrana è uno dei componenti chiave delmembrana a scambio protonicodispositivo di elettrolisi. La membrana a scambio protonico (PEM) è rivestito con strati catalitici su entrambi i lati, formando l'elettrodo a membrana. Il catalizzatore del catodo è in genere un catalizzatore a base di platino, simile a quello utilizzato incelle a combustibile, che promuove efficacementegenerazione di idrogeno. I requisiti per il catalizzatore anodico sono più rigorosi a causa dell'ambiente fortemente ossidativo sul lato anodo; la reazione di evoluzione dell'ossigeno richiede l'uso di materiali catalitici resistenti all'ossidazione e alla corrosione. Attualmente, iridio (Ir), rutenio (Ru) e i loro ossidi (come IrO₂ e RuO₂) sono i catalizzatori anodici più comunemente utilizzati, poiché questi materiali presentano un'eccellente stabilità e prestazioni catalitiche, mantenendo una buona efficienza di elettrolisi ad alte densità di corrente.
ILmembrana a scambio protonico (PEM)svolge un ruolo critico inElettrolisi PEMdispositivi. I materiali PEM comunemente usati includono la serie Nafion, come Nafion 115 e Nafion 117, che hanno elevata conduttività protonica e stabilità chimica, isolando efficacemente i gas e conducendo i protoni. Grazie alla sottigliezza della membrana di scambio protonico, la sua resistenza è bassa, consentendo al dispositivo di elettrolisi PEM di resistere a correnti e pressioni elevate senza un rigoroso controllo della pressione su entrambi i lati della membrana. Inoltre, i dispositivi di elettrolisi PEM possono avviarsi e arrestarsi rapidamente, rispondendo rapidamente alle regolazioni di potenza, rendendoli adatti per input fluttuanti da fonti di energia rinnovabile.
Il Gas Diffusion Layer (GDL) è un altro componente importante dei dispositivi di elettrolisi PEM. Il GDL è in genere costituito da materiali porosi a base di titanio rivestiti con metalli preziosi, che non solo forniscono una buona conduttività e resistenza meccanica, ma offrono anche un percorso di diffusione del gas uniforme, migliorando così l'efficienza dell'elettrolisi e la produzione di gas.
Elettrolisi PEMla tecnologia presenta molti vantaggi. Innanzitutto, l'elevata conduttività protonica e la bassa resistenza della membrana a scambio protonico consentono agli elettrolizzatori PEM di funzionare ad alte densità di corrente, aumentando la produzione di idrogeno. In secondo luogo, la struttura compatta dei dispositivi di elettrolisi PEM consente un'elevata densità di potenza, consentendo una significativa produzione di idrogeno in uno spazio limitato. Inoltre, i dispositivi di elettrolisi PEM possono avviarsi e arrestarsi rapidamente, adattandosi alla variabilità della generazione di energia rinnovabile, rendendoli particolarmente adatti all'integrazione con l'energia eolica e solare per la produzione di idrogeno verde.
Tuttavia,Elettrolisi PEMla tecnologia deve anche affrontare alcune sfide. La prima è il costo dei catalizzatori, in particolare i costosi metalli preziosi come l'iridio e il rutenio richiesti per il catalizzatore dell'anodo, che limita l'applicazione su larga scala. Inoltre, la durata e la stabilità chimica delmembrana a scambio protonicoe lo strato di diffusione del gas necessitano di ulteriori ricerche e ottimizzazioni. Con i continui progressi nella scienza dei materiali e nella tecnologia di produzione, si ritiene che questi problemi saranno gradualmente affrontati in futuro.
Insomma,Elettrolisi PEMla tecnologia dimostra un potenziale significativo nella produzione di idrogeno, specialmente in concomitanza con la generazione di energia rinnovabile, offrendo vantaggi distinti. Attraverso continui miglioramenti e ottimizzazioni tecnologiche, si prevede che l'elettrolisi PEM diventerà una delle principali vie tecnologiche per la produzione di idrogeno verde in futuro, dando un importante contributo alla promozione e all'applicazione di energia pulita.
