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無碳排放的氫氣製造：PEM電解槽如何創造純度高達99.99%的氫氣？
隨著可再生能源的興起，氫氣作為一種清潔的能量載體，其生產方法也逐漸受到重視。PEM電解槽技術不僅能有效地進行氫氣生產，還能確保氫氣的高純度，這對於未來的可持續能源系統至關重要。本文將探討PEM電解槽的運作原理、優勢及其面臨的挑戰，並進一步思考這項技術在清潔能源未來的地位。
PEM電解槽的工作原理
PEM電解槽（質子交換膜電解槽）是一種使用固體聚合物電解質來進行水電解的設備。其主要功能是導通質子、分離生成的氣體，並且在電極之間提供電氣隔離。這項技術的引入旨在解決傳統鹼性電解槽存在的局限性，例如運行效率低、電流密度不足等問題。
PEM電解槽能在高電流密度下運行，特別適合與風、太陽等動態能源來源結合，能捕捉瞬時的能量輸入，減少運行成本。
環保與可持續性
與傳統的化石燃料相比，PEM電解槽的環境影響極小。該技術在生產氫氣過程中只釋放氧氣，而不會產生任何碳排放。這使得PEM電解槽成為可持續能源所需的關鍵技術之一。根據國際能源署（IEA）2022年的報告，雖然PEM電解槽顯示出巨大潛力，但其推廣仍然受到稀有材料——如鉑和鈀——供應限制的挑戰。
PEM電解槽的歷史沿革
PEM電解槽的技術發展可追溯至1960年代，那時通用電氣首次提出了質子交換膜的概念，以克服鹼性電解槽的缺陷。隨著技術的發展，PEM電解槽在1970年代末期逐漸受到了關注，因其電流密度及能量效率較鹼性電解槽顯著提升。
在1970年代末期，傳統的鹼性電解槽效率僅為0.215 A/cm² @ 2.06 V，而PEM電解槽卻達到了1.0 A/cm² @ 1.88 V的效率。
科學與反應過程
PEM電解槽運作的核心是質子交換膜（SPE），其可有效導通質子，並在兩個電極之間實現電氣隔離。水在電解槽中經過以下反應生成氫氣和氧氣：
- 陽極反應（氧氣進化反應）：水被氧化為氧氣、質子和電子。
- 陰極反應（氫氣進化反應）：質子與電子結合生成氫氣。
PEM電解槽的優勢
PEM電解槽的一大優勢在於其能操作於高電流密度下，這不僅有助於降低運作成本，同時也能確保氫氣的高純度。由於聚合物電解質的結構特點，PEM系統可在薄膜下運行，實現高壓輸出，從而降低電解過程中的歐姆損失。
保持氫氣的高純度對於安全儲存及未來在燃料電池中的應用至關重要，其在標準條件下氧氣中的氫氣容許濃度為4 mol-%。
挑戰與未來展望
儘管PEM電解槽具有諸多優勢，但其普及仍面臨挑戰。尤其是對稀有材料的依賴使得大規模應用的可行性受到限制。此外，隨著需求的增加，如何提升電解槽的效率及耐用性將是未來研究的重要方向。
根據預測，PEM電解槽的電效率在未來數年內有望達到82%-86%之間，同時保持其耐用性。
當我們展望未來，PEM電解槽可能成為全球能源轉型的重要推動者，那麼，您認為實現氫氣製造和使用的全面無碳化，還需哪些技術突破与政策支持呢？
