مروری بر فناوری الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون (PEMWE)

تولید هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک، اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. در میان روش‌های مختلف تولید هیدروژن، فناوری الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون (PEMWE) به دلیل کارایی بالا، خلوص بالای هیدروژن تولیدی و قابلیت تطبیق با انرژی‌های تجدیدپذیر، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. این فناوری به طور گسترده در صنایع مختلف مانند حمل و نقل، صنایع شیمیایی و فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقاله حاضر به بررسی اجمالی فناوری الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون (PEMWE)، اصول عملکرد، اجزا و چالش‌های پیش‌رو در توسعه آن می‌پردازد. (برای مطالعه مقاله مروری بر فناوری‌های الکترولیز آب اینجا کلیک کنید)

عملکرد فناوری PEMWE و اجزای آن

الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون، فرآیندی الکتروشیمیایی است که در آن آب به اجزای اصلی خود یعنی هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. در این فناوری، یک غشای تبادل پروتون که به عنوان الکترولیت عمل می‌کند که وظیفه هدایت پروتون‌ها از سمت آند به سمت کاتد را بر عهده دارد. شکل زیر نشان می‌دهد که در سمت آند، مولکول‌های آب به اکسیژن، پروتون‌ها (H⁺) و الکترون‌ها (e⁻) تجزیه می‌شوند. پروتون‌ها از طریق غشا عبور کرده و به سمت کاتد می‌روند، در حالی که الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به سمت کاتد هدایت می‌شوند. در سمت کاتد، پروتون‌ها و الکترون‌ها دوباره با هم ترکیب شده و هیدروژن تولید می‌شود. این فرآیند ساده و در عین حال بسیار کارآمد است، که منجر به تولید هیدروژن با خلوص بسیار بالا می‌گردد.

اجزای اصلی PEMWE شامل غشا، الکترودها، لایه‌های انتشار گاز (GDL)، لایه‌های انتقال متخلخل (PTL) و صفحات جداکننده جریان (Flow Field Separator Plates) است. هر یک از این اجزا نقش مهمی در بهبود کارایی و پایداری سیستم ایفا می‌کنند:

• غشای تبادل پروتون (PEM): این غشا مسئول انتقال پروتون‌ها از آند به کاتد است و در عین حال از عبور الکترون‌ها و گازها جلوگیری می‌کند. یکی از پرکاربردترین غشاها در PEMWE، نفیون (Nafion) است که به دلیل هدایت پروتونی بالا، استحکام مکانیکی و پایداری شیمیایی مناسب، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• الکترودها: الکترودهای آند و کاتد از کاتالیزورهای فلزات گران‌بها مانند ایریدیوم (IrO2) و پلاتین (Pt) ساخته می‌شوند. این کاتالیزورها به دلیل کارایی بالای الکتروکاتالیستی در محیط‌های اسیدی، انتخاب مناسبی برای این فناوری هستند. در سمت آند، ایریدیوم به تجزیه آب و تولید اکسیژن کمک می‌کند، در حالی که در سمت کاتد، پلاتین واکنش‌های تولید هیدروژن را تسهیل می‌کند.
• لایه‌های انتشار گاز (GDL): این لایه‌ها به پخش یکنواخت گازها در سطح الکترودها کمک می‌کنند و باعث بهبود عملکرد سیستم می‌شوند. لایه انتشار گاز باید هم رسانای خوبی برای جریان الکترون‌ها باشد و هم توانایی عبور گازها را داشته باشد.
• لایه‌های انتقال متخلخل (PTL): PTL وظیفه انتقال یکنواخت آب به سمت آند و انتقال پروتون‌ها از غشا به سمت کاتد را بر عهده دارد. این لایه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مقاومت کمی در برابر جریان سیالات ایجاد کنند و پایداری سیستم را بهبود بخشند.
• صفحات جداکننده جریان: این صفحات وظیفه توزیع یکنواخت آب و گازها در سراسر سلول را دارند و همچنین از ترکیب مجدد هیدروژن و اکسیژن جلوگیری می‌کنند. طراحی مناسب صفحات جداکننده جریان می‌تواند عملکرد سیستم را بهبود بخشد و همچنین به کاهش هزینه‌های تولید کمک کند.

مزایای PEMWE

فناوری الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون در مقایسه با فناوری الکترولیز آب قلیایی [1] چندین مزیت برجسته دارد. یکی از مزایای اصلی این فناوری، تولید هیدروژن با خلوص بالا است. به دلیل استفاده از آب خالص به عنوان ماده اولیه و غشای تبادل پروتون که از عبور گازها جلوگیری می‌کند، هیدروژن تولید شده توسط PEMWE به شدت خالص است و برای استفاده در صنایعی که نیاز به هیدروژن با کیفیت بالا دارند، مناسب است.

از دیگر مزایای کلیدی فناوری PEMWE، چگالی جریان بالا و واکنش سریع به تغییرات بار است که تأثیر زیادی بر عملکرد آن دارد. چگالی جریان بالا به این معناست که PEMWE می‌تواند مقدار بیشتری هیدروژن در هر واحد سطح تولید کند، که بهره‌وری سیستم را افزایش می‌دهد. از طرف دیگر، واکنش سریع به تغییرات بار به این فناوری اجازه می‌دهد تا با سرعت به نوسانات تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر، مانند باد و خورشید، پاسخ دهد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که PEMWE بتواند بدون کاهش کارایی یا هدررفت انرژی به سرعت تولید خود را تنظیم کند، که برای بهره‌برداری مؤثر از منابع تجدیدپذیر بسیار حیاتی است.

همچنین، این فناوری به دلیل عدم استفاده از الکترولیت‌های خورنده مانند محلول‌های قلیایی، ایمنی بیشتری دارد و نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارد. این ویژگی‌ها، در کنار بهره‌وری بالا و سازگاری با منابع انرژی ناپایدار، PEMWE را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تولید هیدروژن در صنایع مختلف و کاربردهای انرژی‌های نو تبدیل کرده است.

چالش‌های فناوری PEMWE

اگرچه فناوری PEMWE مزایای فراوانی دارد، اما همچنان با چالش‌هایی مواجه است. مهم‌ترین چالش این فناوری، هزینه بالای اجزای آن است. استفاده از کاتالیزورهای فلزات گران‌بها مانند پلاتین و ایریدیوم، به طور قابل توجهی هزینه تولید هیدروژن را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، صفحات جداکننده جریان که معمولاً از موادی با قیمت بالا مانند تیتانیوم ساخته می‌شوند، بخش عمده‌ای از هزینه کل سیستم را تشکیل می‌دهند.

از دیگر چالش‌های اصلی این فناوری می‌توان به پایداری مواد کاتالیزور اشاره کرد. در شرایط عملیاتی سخت مانند دما و فشار بالا، کاتالیزورها ممکن است به مرور زمان دچار تخریب شوند، که این امر به کاهش کارایی سیستم منجر می‌شود. به همین دلیل، تحقیقات زیادی برای توسعه کاتالیزورهای جدید با دوام بیشتر و هزینه کمتر در حال انجام است.

پیشرفت‌های اخیر در توسعه PEMWE

در سال‌های اخیر، پژوهش‌های فراوانی برای بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های PEMWE انجام شده است. یکی از راهبردهای کلیدی، کاهش مصرف فلزات گران‌بها مانند پلاتین و ایریدیوم از طریق استفاده از نانوذرات کاتالیزور بوده است. نانوذرات به دلیل سطح بزرگتر، می‌توانند فعالیت الکتروکاتالیستی بالاتری با مصرف کمتر کاتالیزور ایجاد کنند. همچنین، کاهش ضخامت غشاها منجر به کاهش مقاومت اهمی و افزایش بهره‌وری سیستم می‌شود. طراحی‌های نوین، از جمله غشاهای تقویت‌شده و صفحات جداکننده جدید نیز باعث کاهش هزینه و بهبود پایداری سیستم شده‌اند.

علاوه بر این، تحقیق و توسعه مواد جایگزین برای کاتالیزورها به‌ عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی پژوهش شناخته شده است. کاتالیزورهای ارزان‌تر مبتنی بر فلزاتی مانند کبالت و نیکل به‌عنوان جایگزین‌هایی برای پلاتین و ایریدیوم مورد بررسی قرار گرفته‌اند. اگرچه عملکرد این مواد هنوز به سطح کاتالیزورهای فلزات گران‌بها نرسیده، اما تحقیقات اخیر نشان می‌دهند که با بهبود ساختار نانوذرات و طراحی‌های نوآورانه می‌توان به نتایج امیدوارکننده‌ای دست یافت.

نتیجه‌گیری

الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون (PEMWE) به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای تولید هیدروژن سبز، نقش مهمی در آینده انرژی جهان ایفا خواهد کرد. با وجود چالش‌های مرتبط با هزینه و پایداری اجزای سیستم، پیشرفت‌های اخیر در زمینه مواد و طراحی‌های جدید، افق‌های جدیدی را برای توسعه این فناوری باز کرده است. با ادامه تحقیقات و نوآوری‌ها در این حوزه، انتظار می‌رود که PEMWE به یکی از فناوری‌های اصلی در تولید هیدروژن و گذار به اقتصاد کم‌کربن تبدیل شود.

[1] Alkaline Water Electrolysis