Πρόοδος και οικονομική ανάλυση της υδροηλεκτρόλυσης με ιοντοανταλλακτική μεμβράνη (AEM) για παραγωγή υδρογόνου

Το AEM είναι σε κάποιο βαθμό ένα υβρίδιο PEM και παραδοσιακής ηλεκτρόλυσης αλισίβας με βάση το διάφραγμα. Η αρχή της ηλεκτρολυτικής κυψέλης AEM φαίνεται στο Σχήμα 3. Στην κάθοδο, το νερό ανάγεται για την παραγωγή υδρογόνου και ΟΗ -. ΟΗ -- ρέει μέσω του διαφράγματος προς την άνοδο, όπου ανασυνδυάζεται για να παράγει οξυγόνο.

Li et al. [1-2] μελέτησε ηλεκτρόλυση νερού υψηλής απόδοσης υψηλής απόδοσης πολυστυρενίου και πολυφαινυλενίου AEM και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πυκνότητα ρεύματος ήταν 2,7 A/cm2 στους 85°C σε τάση 1,8 V. Όταν χρησιμοποιούνται NiFe και PtRu/C ως καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου, η πυκνότητα ρεύματος μειώθηκε σημαντικά στα 906 mA/cm2. Οι Chen et al. [5] μελέτησε την εφαρμογή ηλεκτρολυτικού καταλύτη υψηλής απόδοσης μη ευγενών μετάλλων σε ηλεκτρολύτη μεμβράνης αλκαλικού πολυμερούς. Τα οξείδια NiMo μειώθηκαν με αέρια Η2/ΝΗ3, ΝΗ3, Η2 και Ν2 σε διαφορετικές θερμοκρασίες για τη σύνθεση καταλυτών παραγωγής ηλεκτρολυτικού υδρογόνου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο καταλύτης NiMo-NH3/H2 με αναγωγή H2/NH3 έχει την καλύτερη απόδοση, με πυκνότητα ρεύματος έως 1,0A/cm2 και απόδοση μετατροπής ενέργειας 75% στα 1,57V και στους 80°C. Η Evonik Industries, με βάση την υπάρχουσα τεχνολογία της μεμβράνης διαχωρισμού αερίων, έχει αναπτύξει ένα πατενταρισμένο πολυμερές υλικό για χρήση σε ηλεκτρολυτικά κύτταρα AEM και επί του παρόντος επεκτείνει την παραγωγή μεμβρανών σε πιλοτική γραμμή. Το επόμενο βήμα είναι η επαλήθευση της αξιοπιστίας του συστήματος και η βελτίωση των προδιαγραφών της μπαταρίας, με παράλληλη κλιμάκωση της παραγωγής.

Επί του παρόντος, οι κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα AEM είναι η έλλειψη υψηλής αγωγιμότητας και αλκαλικής αντίστασης του AEM και ο ηλεκτροκαταλύτης πολύτιμου μετάλλου αυξάνει το κόστος κατασκευής ηλεκτρολυτικών συσκευών. Ταυτόχρονα, το CO2 που εισέρχεται στο φιλμ κυψέλης θα μειώσει την αντίσταση του φιλμ και την αντίσταση του ηλεκτροδίου, μειώνοντας έτσι την ηλεκτρολυτική απόδοση. Η μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης του ηλεκτρολύτη AEM είναι η εξής: 1. Ανάπτυξη AEM με υψηλή αγωγιμότητα, επιλεκτικότητα ιόντων και μακροπρόθεσμη αλκαλική σταθερότητα. 2. Ξεπεράστε το πρόβλημα του υψηλού κόστους του καταλύτη πολύτιμων μετάλλων, αναπτύξτε τον καταλύτη χωρίς πολύτιμο μέταλλο και υψηλή απόδοση. 3. Επί του παρόντος, το κόστος-στόχος του ηλεκτρολύτη AEM είναι 20 $ /m2, το οποίο πρέπει να μειωθεί μέσω φθηνών πρώτων υλών και μειωμένων σταδίων σύνθεσης, ώστε να μειωθεί το συνολικό κόστος του ηλεκτρολύτη AEM. 4. Μειώστε την περιεκτικότητα σε CO2 στο ηλεκτρολυτικό στοιχείο και βελτιώστε την ηλεκτρολυτική απόδοση.

[1] Liu L,Kohl P A. Συμπολυμερή πολλαπλών μπλοκ αγώγιμων ανιόντων με διαφορετικά δεμένα κατιόντα[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Ιονομερή πολυστυρενίου υψηλής απόδοσης τεταρτοταγούς για ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 -- 385.