Az ioncserélő membrán (AEM) hidroelektrolízis előrehaladása és gazdasági elemzése hidrogéntermeléshez

Az AEM bizonyos mértékig a PEM és a hagyományos membrán alapú lúg elektrolízis hibridje. Az AEM elektrolitikus cella elvét a 3. ábra mutatja. A katódon a víz redukálódik, így hidrogén és OH - keletkezik. OH -- a membránon keresztül az anódhoz áramlik, ahol újraegyesülve oxigént termel.

Li és mtsai. [1-2] a nagymértékben kvaternerizált polisztirol és polifenilén AEM nagy teljesítményű vizes elektrolizátort tanulmányozta, és az eredmények azt mutatták, hogy az áramsűrűség 2,7A/cm2 85°C-on 1,8V feszültség mellett. Ha NiFe-t és PtRu/C-t használtunk katalizátorként a hidrogén előállításához, az áramsűrűség jelentősen, 906 mA/cm2-re csökkent. Chen et al. [5] nagy hatásfokú nem nemesfém elektrolitikus katalizátor alkalmazását tanulmányozta lúgos polimer filmes elektrolizátorban. A NiMo-oxidokat H2/NH3, NH3, H2 és N2 gázokkal redukálták különböző hőmérsékleteken, hogy elektrolitikus hidrogéntermelő katalizátorokat szintetizáljanak. Az eredmények azt mutatják, hogy a H2/NH3 redukciós NiMo-NH3/H2 katalizátor a legjobb teljesítményű, áramsűrűsége akár 1,0 A/cm2, energiaátalakítási hatékonysága pedig 75% 1,57 V-on és 80 °C-on. Az Evonik Industries a meglévő gázleválasztó membrántechnológiájára alapozva kifejlesztett egy szabadalmaztatott polimer anyagot az AEM elektrolitikus cellákhoz, és jelenleg kísérleti vonalon bővíti a membrángyártást. A következő lépés a rendszer megbízhatóságának ellenőrzése és az akkumulátor specifikációinak javítása, miközben növeli a termelést.

Jelenleg az AEM elektrolitikus cellák előtt álló fő kihívás az AEM magas vezetőképességének és lúgos ellenállásának hiánya, és a nemesfém elektrokatalizátor növeli az elektrolitikus eszközök gyártási költségeit. Ugyanakkor a cellafilmbe belépő CO2 csökkenti a film ellenállását és az elektróda ellenállását, ezáltal csökkenti az elektrolitikus teljesítményt. Az AEM elektrolizátor jövőbeli fejlesztési iránya a következő: 1. Nagy vezetőképességű, ionszelektivitással és hosszú távú lúgos stabilitással rendelkező AEM fejlesztése. 2. Leküzdeni a nemesfém katalizátor magas költségének problémáját, kifejleszteni nemesfém nélküli katalizátort és nagy teljesítményt. 3. Jelenleg az AEM elektrolizátor célköltsége 20 USD/m2, amelyet olcsó nyersanyagok és csökkentett szintézislépések révén kell csökkenteni az AEM elektrolizáló teljes költségének csökkentése érdekében. 4. Csökkentse az elektrolitikus cella CO2-tartalmát és javítsa az elektrolitikus teljesítményt.

[1] Liu L, Kohl P A. Anion vezető multiblokk kopolimerek különböző kötött kationokkal [J]. Journal of Polymer Science A. rész: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395-1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Erősen kvaternerizált polisztirol ionomerek nagy teljesítményű anioncserélő membrán vízelektrolizátorokhoz[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378-385.