PEM 電解槽：透過材料創新推動綠色氫能發展

在消費者與法規壓力不斷增加之下，全球各行各業都在尋求降低碳排放並達成永續目標的方法。雖然採用風能與太陽能等再生能源確實有所幫助，但單靠電氣化仍不足以抵銷以下難以減排的產業：

• 鋼鐵生產
• 化學品
• 煉製
• 重型運輸與航運
• 長時儲能

這些產業也需要潔淨燃料——但目前生產的氫氣大多仍來自化石燃料來源。

這正是綠色氫能的切入點；綠色氫能是透過電解將水分解為氫氣與氧氣而生成，已成為邁向低碳未來最具前景的途徑之一。根據 國際能源署的《Global Hydrogen Review》，全球綠色氫能電解槽產能在 2025 年翻倍，超過 4 gigawatts，且 2026 年還有更多產能正在建設中。

質子交換膜（PEM）電解已成為支援這波擴張的領先技術。要縮小今日 PEM 電解槽與產業長期所需的成本、耐久性與效能之間的差距，必須先深入理解每一個堆疊中的材料。

什麼是 PEM 電解槽？

PEM 電解是一種利用電力將水分解為氫氣與氧氣的技術。PEM 電解槽電池包含一個整合式關鍵組件系統，每個組件都在讓電與水進入、並讓氫與氧產出方面扮演不同角色。這些組件包括：

• 質子交換膜：允許質子從陽極通過至陰極，同時防止氫氣與氧氣混合
• 陽極催化層：進行氧析出反應（OER），水在此分解為氧氣、質子與電子——通常使用以銥為基礎的催化劑
• 陰極催化層：進行氫析出反應（HER），質子與電子在此重新結合形成氫氣，通常使用以鉑為基礎的催化劑
• 多孔傳輸層：將水輸送至催化層，並讓氫氣與氧氣排出
• 雙極板：在每個電池上均勻分配電流與流體流動，並在堆疊中將相鄰電池彼此分隔

PEM 電解如何運作？

在電池內，質子交換膜位於兩個帶相反電荷的電極之間，電解反應則在膜的兩側進行：

• 在陽極（帶正電）：水被送入，施加的電壓將 H₂O 水分子分解為氧氣、電子與氫離子（H⁺，即質子）。
• 在陰極（帶負電）：已通過膜的質子與經由外部電路到達的電子重新結合，形成氫氣。

質子交換膜是此過程的核心。作為一種固體、可傳導質子的材料，它允許質子通過，同時作為物理屏障，防止氫氣與氧氣混合。

正是這種功能組合，使 PEM 電解槽電池能在緊湊的占地中以高電流密度運作，同時仍能產出高純度氫氣。每個電池僅在低電壓下產生少量氫氣，因此若要達到工業規模的輸出，製造商會將數十或數百個此類電池串聯起來，形成所謂的「堆疊（stack）」。

為什麼材料表徵對 PEM 電解槽至關重要

加速 PEM 電解的創新，仰賴快速且準確的材料表徵。研究人員需要針對各種材料性質取得精確洞見，包括：

• 晶體結構
• 組成
• 氧化態
• 粒徑
• 分散穩定性
• 運作期間的結構演變

表徵數據能將這些性質直接連結到效能，幫助研究人員更快優化材料，並以證據為基礎做出開發決策。這代表該領域更廣泛的轉變：從緩慢的試錯式開發，轉向以數據驅動的材料工程。

關鍵在於，先進表徵有助於研究人員理解材料為何會如此表現，並提供關於如何改進它們的重要資訊。

PEM 電解槽催化劑的表徵

電極催化劑的開發仍是 PEM 電解研究最活躍的領域之一，原因很簡單：催化劑既是技術瓶頸，也是堆疊中最大的單一成本來源。目前許多研究重點聚焦於：

• 降低陽極所使用的銥用量
• 提高催化活性
• 提升耐久性
• 降低整體堆疊成本

要達成這些目標，需要對催化劑在其生命週期中的結構有深入理解——從新鮮合成、到實際運作、以及運作後或循環後皆然。尤其是劣化研究能精確揭示催化劑性能隨時間下降的原因與機制，進而指引研究人員找出需要的特定結構或組成變化，以打造更長壽的電解槽。

催化劑化學、結構與實際耐久性之間的這種連結，正是材料表徵直接對應產業降本與商業化擴展目標的關鍵所在。

支援 PEM 電解槽開發的分析技術

沒有任何單一分析技術能告訴研究人員他們對 PEM 電解槽材料所需知道的一切。要建立材料如何表現、以及為何如此表現的完整圖像，需要多種互補技術，每一種都適合表徵拼圖中的不同部分。

X 射線繞射（XRD）

XRD 可識別並定量催化劑材料中存在的晶相，並可從繞射峰的位置、寬度與強度揭示晶粒大小、晶格應變與晶格參數等關鍵結構參數。

在 PEM 電解槽催化劑研究中，XRD 非常適合在材料開發與老化過程中監測其結構變化，也可用於確認新型鉑基或銥基合金的晶體相。

由於 XRD 數據可快速且可重複地取得，它在劣化研究中特別有用——研究人員可在循環前後測量同一個樣品——也適用於日常材料最佳化。

我們緊湊型的 Aeris 桌上型 X 射線繞射儀可處理常規的晶粒大小與相分析，而我們的 模組化 Empyrean 平台則加入 X 射線散射與原位能力，可在催化劑受熱、循環或處於其他真實操作條件時追蹤其結構變化。

X 射線螢光（XRF）

若說 XRD 揭示的是結構，那麼 X 射線螢光則分析元素組成。XRF 可驗證催化劑的組成與貴金屬負載量：例如確認銥或鉑的負載量是否符合規格，或檢查 Pt 合金催化劑中的金屬比例。

因此，當催化劑配方進入製造階段時，它非常適合用於材料品質管制與生產一致性確認。由於催化劑成本與貴金屬含量高度相關，精確的元素分析可讓團隊確認其是否真正達到新材料設計時所設定的負載與組成目標。

我們用於催化領域的 XRF 解決方案包括落地式 Zetium 光譜儀，可提供高精度組成與負載量驗證所需的分析能力。

桌上型 Epsilon 1可為例行催化劑篩選帶來免標準品、快速周轉的元素分析，而更高通量的 Epsilon 4 則適合樣品量更高的生產線 QC。

XANES 與 EXAFS

XRD 與 XRF 可揭示晶體結構與元素組成，但兩者都無法顯示單原子層級的電子變化。

這就是 X 射線吸收光譜（XAS）的用途。XAS 光譜由兩個區域組成：

1. XANES：X 射線吸收近邊結構
2. EXAFS：延伸 X 射線吸收精細結構

兩者各自揭示了被研究原子的不同資訊。XANES 對氧化態與配位幾何特別敏感，而 EXAFS 則揭示鄰近原子的距離與配位數。結合起來，這些量測可提供有關 氧化態與特定元素周圍 局部原子環境的洞見，即使在複雜、多相或非晶材料中，繞射單獨分析也會力有未逮。

對 PEM 電解槽而言，這對研究以銥為基礎的氧析出催化劑尤其重要，因為銥的氧化態與配位環境在運作中的微小變化，與催化活性和長期劣化都密切相關。理解這些原子層級的細節，才能讓研究人員設計出真正改善活性與穩定性的下一代催化劑，而不只是單純調整整體組成。

Empyrean XAS可在同一個模組化 Empyrean 平台上提供實驗室級的 XANES 與 EXAFS 數據，該平台也可用於 XRD 與散射量測，因此 PEM 電解槽研究人員無需爭取稀缺的同步輻射束時資源，也能研究局部原子環境。

粒子表徵

催化劑粒徑與分散性會直接影響催化層的表現。越小且分散良好的粒子，每克貴金屬所暴露的活性表面積越多；而分散不良或團聚的粒子則會浪費催化潛力與成本。

粒子表徵數據可直接用於催化劑墨水配方與最佳化，常見應用包括：

• 奈米粒子粒徑分析
• 團聚評估
• 分散穩定性研究

Zetasizer Advance 系列可量測奈米粒子大小與 zeta 電位，以評估催化劑墨水的穩定性與分散性。此外，我們的 Mastersizer 3000+ 雷射繞射系統可表徵與催化劑粉體及載體相關的更廣泛粒徑與團聚體尺寸分布。

在 NanoSight Pro 上進行奈米粒子追蹤分析，以及在 Morphologi 系列 上進行自動化靜態影像分析，也能補充提供逐粒子觀點——計數與量測單一奈米粒子，並評估團聚體形狀——有助於驗證上述體相量測所呈現的結果。

技術	可揭示的資訊
X 射線繞射（XRD）	晶相、晶粒大小、晶格應變
X 射線螢光（XRF）	元素組成、貴金屬負載量
XANES / EXAFS	氧化態、局部原子環境
粒子表徵	粒徑、分散穩定性、zeta 電位

PEM 電解槽研究的未來趨勢

PEM 電解槽研究正持續進展，而該領域的未來將取決於材料、製造與系統設計等多方面創新。幾項相互匯流的趨勢正在塑造技術的下一步發展，開發者希望實現：

• 降低貴金屬用量：大量研究致力於在不犧牲效能的前提下降低陽極銥負載量，同時尋找替代催化劑化學組成，以及更有效利用仍然必要的貴金屬。
• 提升耐久性：隨著產業致力延長運轉壽命，理解整個堆疊的劣化機制變得和原始效能同等重要。
• 更高效能系統：持續進行的工作目標是更高電流密度、效率提升與氫氣產量增加，同時降低運轉成本。
• 百萬瓩級製造：為了滿足日益增加的氫能需求，電解槽製造正快速擴張，而在龐大產量下維持穩健的品質管制與一致的材料表現，本身就是一項新興的工程挑戰。
• 整合再生能源：隨著更多具波動性的風電與太陽能容量上線，PEM 電解槽在再生能源生態系中的角色日益重要，並有望在電網平衡、儲能與部門耦合方面發揮作用。

透過更智慧的材料表徵推動 PEM 電解槽進步

未來十年，PEM 電解槽預期將在擴大綠色氫能生產上扮演重要角色，但要達成這一目標，關鍵在於其所使用材料的表現。催化劑、膜與其他所有關鍵組件都決定了堆疊的效率、耐久性與成本，而改善它們的起點就是深入的材料洞見。

從 XRD、XRF 到 XAS 與粒子分析等先進表徵技術，能為研究人員提供所需的關鍵洞見：讓團隊理解劣化機制、更快驗證新材料，並在邁向下一代 PEM 電解的道路上降低開發風險。

深入了解 Malvern Panalytical 的材料表徵解決方案如何幫助研究人員探究 PEM 電解槽材料、理解劣化機制，並加速更高效率、耐久性更佳的氫氣生產技術開發。與 Malvern Panalytical 專家聯繫，了解能為氫氣生產帶來信心的分析解決方案。