プロトン交換膜電気分解（PEM電気分解）はプロトン交換膜電解質として、陽極と陰極で次の化学反応が起こります。
アノード：
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
陰極：
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
PEM電解は効率的な水電気分解水を水素と酸素に分解するために主に使われる技術です。PEM電解装置は電解装置と補助システムで構成され、電解装置のコアコンポーネントには膜電極、ガス拡散層、バイポーラプレートが含まれます。膜電極は、プロトン交換膜電気分解装置。プロトン交換膜（）の両面に触媒層がコーティングされ、膜電極を形成します。カソード触媒は通常、燃料電池で使用されるものと同様の白金ベースの触媒です。燃料電池、効果的に促進する水素生成陽極側の酸化環境が強いため、陽極触媒に対する要件はより厳しく、酸素発生反応には耐酸化性と耐腐食性を備えた触媒材料の使用が必要です。現在、イリジウム（）、ルテニウム（）、およびそれらの酸化物（₂、₂など）が最も一般的に使用されている陽極触媒です。これらの材料は優れた安定性と触媒性能を示し、高電流密度で良好な電気分解効率を維持します。
のプロトン交換膜（）重要な役割を果たしているPEM電気分解一般的に使用されるPEM材料には、ナフィオン115やナフィオン117などのナフィオンシリーズがあり、高いプロトン伝導性と化学的安定性を備え、ガスを効果的に隔離し、プロトンを伝導します。プロトン交換膜は薄いため抵抗が低く、PEM電解装置は膜の両側で厳密な圧力制御を行わなくても高電流と圧力に耐えることができます。さらに、PEM電解装置は起動と停止が速く、電力調整に迅速に対応できるため、再生可能エネルギー源からの変動する入力に適しています。
ガス拡散層 () は、 電解装置のもう 1 つの重要なコンポーネントです。 は通常、貴金属でコーティングされた多孔質チタンベースの材料で作られており、優れた導電性と機械的強度を提供するだけでなく、均一なガス拡散経路を提供し、電解効率とガス生成を向上させます。
PEM電気分解この技術には多くの利点があります。まず、プロトン交換膜の高プロトン伝導性と低抵抗により、PEM電解装置は高電流密度で動作し、水素生産量を増やすことができます。次に、PEM電解装置のコンパクトな構造により高電力密度が可能になり、限られたスペース内で大量の水素生産が可能になります。さらに、PEM電解装置は起動と停止が迅速で、再生可能エネルギー発電の変動に適応できるため、風力や太陽エネルギーと統合してグリーン水素生産を行うのに特に適しています。
しかし、PEM電気分解この技術にはいくつかの課題もある。第一に、触媒のコスト、特に陽極触媒に必要なイリジウムやルテニウムなどの高価な貴金属のコストが、大規模な適用を制限している。さらに、触媒の耐久性と化学的安定性も問題である。プロトン交換膜ガス拡散層については、さらなる研究と最適化が必要ですが、材料科学と製造技術の継続的な進歩により、これらの問題は将来徐々に解決されると考えられます。
結論は、PEM電気分解この技術は、特に再生可能エネルギー発電と組み合わせることで、水素生産において大きな可能性を示し、明確な利点を提供します。継続的な技術の改善と最適化により、PEM電解は将来、グリーン水素生産の主流の技術ルートの1つになり、クリーンエネルギーの推進と応用に重要な貢献をすることが期待されています。
