Napredek in ekonomska analiza hidroelektrolize z ionsko izmenjevalno membrano (AEM) za proizvodnjo vodika

AEM je do neke mere hibrid PEM in tradicionalne diafragmske elektrolize na osnovi luga. Načelo elektrolitske celice AEM je prikazano na sliki 3. Na katodi se voda reducira, da nastane vodik in OH -. OH -- teče skozi diafragmo do anode, kjer se rekombinira in proizvaja kisik.

Li et al. [1-2] so proučevali visoko zmogljiv vodni elektrolizator AEM iz visoko kvaterniziranega polistirena in polifenilena in rezultati so pokazali, da je bila gostota toka 2,7 A/cm2 pri 85 °C pri napetosti 1,8 V. Pri uporabi NiFe in PtRu/C kot katalizatorjev za proizvodnjo vodika se je gostota toka znatno zmanjšala na 906 mA/cm2. Chen et al. [5] so proučevali uporabo visoko učinkovitega elektrolitskega katalizatorja iz nežlahtnih kovin v elektrolizatorju z alkalnim polimernim filmom. NiMo okside smo reducirali s plini H2/NH3, NH3, H2 in N2 pri različnih temperaturah, da smo sintetizirali elektrolitske katalizatorje za proizvodnjo vodika. Rezultati kažejo, da ima katalizator NiMo-NH3/H2 z redukcijo H2/NH3 najboljšo zmogljivost, z gostoto toka do 1,0 A/cm2 in učinkovitostjo pretvorbe energije 75 % pri 1,57 V in 80 °C. Evonik Industries je na podlagi svoje obstoječe tehnologije membran za ločevanje plinov razvil patentiran polimerni material za uporabo v elektrolitskih celicah AEM in trenutno širi proizvodnjo membran na pilotni liniji. Naslednji korak je preveriti zanesljivost sistema in izboljšati specifikacije baterije, hkrati pa povečati proizvodnjo.

Trenutno so glavni izzivi, s katerimi se soočajo elektrolitske celice AEM, pomanjkanje visoke prevodnosti in alkalne odpornosti AEM, elektrokatalizator iz plemenitih kovin pa povečuje stroške izdelave elektrolitskih naprav. Hkrati bo CO2, ki vstopa v celično folijo, zmanjšal odpornost filma in elektrode, s čimer se bo zmanjšala elektrolitska učinkovitost. Prihodnja smer razvoja elektrolizatorja AEM je naslednja: 1. Razviti AEM z visoko prevodnostjo, ionsko selektivnostjo in dolgoročno alkalno stabilnostjo. 2. Premagajte problem visokih stroškov katalizatorja iz plemenitih kovin, razvijte katalizator brez plemenitih kovin in visoko zmogljivost. 3. Trenutno je ciljni strošek elektrolizatorja AEM 20 USD/m2, ki ga je treba znižati s poceni surovinami in zmanjšanimi stopnjami sinteze, da se zmanjša skupni strošek elektrolizatorja AEM. 4. Zmanjšajte vsebnost CO2 v elektrolitski celici in izboljšajte elektrolitsko učinkovitost.

[1] Liu L, Kohl P A. Anionsko prevodni večblokovni kopolimeri z različnimi vezanimi kationi [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395–1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Visoko kvaternizirani polistirenski ionomeri za visoko zmogljive vodne elektrolizatorje z anionsko izmenjevalno membrano [J]. Nature Energy, 2020, 5: 378-385.