Напредък и икономически анализ на йонообменна мембрана (AEM) хидроелектролиза за производство на водород

AEM е до известна степен хибрид на PEM и традиционната диафрагмена електролиза с луга. Принципът на електролитната клетка AEM е показан на фигура 3. На катода водата се редуцира, за да се получи водород и OH -. OH -- тече през диафрагмата към анода, където се рекомбинира, за да произведе кислород.

Li et al. [1-2] изследваха силно кватернизиран полистирен и полифенилен AEM високоефективен воден електролизатор и резултатите показаха, че плътността на тока е 2,7 A/cm2 при 85°C при напрежение 1,8 V. При използване на NiFe и PtRu/C като катализатори за производство на водород, плътността на тока намалява значително до 906mA/cm2. Чен и др. [5] изследваха приложението на високоефективен електролитен катализатор от неблагородни метали в електролизатор с алкален полимерен филм. NiMo оксидите се редуцират с H2/NH3, NH3, H2 и N2 газове при различни температури, за да се синтезират електролитни катализатори за производство на водород. Резултатите показват, че катализаторът NiMo-NH3/H2 с редукция на H2/NH3 има най-добра производителност, с плътност на тока до 1,0A/cm2 и ефективност на преобразуване на енергия от 75% при 1,57V и 80°C. Evonik Industries, базирайки се на своята съществуваща мембранна технология за разделяне на газове, разработи патентован полимерен материал за използване в електролитни клетки AEM и в момента разширява производството на мембрани на пилотна линия. Следващата стъпка е да се провери надеждността на системата и да се подобрят спецификациите на батерията, като същевременно се увеличи производството.

Понастоящем основните предизвикателства пред електролитните клетки на AEM са липсата на висока проводимост и алкална устойчивост на AEM, а електрокатализаторът от благороден метал увеличава разходите за производство на електролитни устройства. В същото време CO2, навлизащ във филма на клетката, ще намали съпротивлението на филма и съпротивлението на електрода, като по този начин намалява електролитната производителност. Бъдещата посока на развитие на електролизера AEM е следната: 1. Разработете AEM с висока проводимост, йонна селективност и дългосрочна алкална стабилност. 2. Преодоляване на проблема с високата цена на катализатор от благороден метал, разработване на катализатор без благороден метал и висока производителност. 3. Понастоящем целевата цена на електролизатор AEM е $20 /m2, която трябва да бъде намалена чрез евтини суровини и намалени стъпки на синтез, така че да се намалят общите разходи за електролизатор AEM. 4. Намалете съдържанието на CO2 в електролитната клетка и подобрете електролитната производителност.

[1] Liu L, Kohl P A. Анионни проводящи мултиблокови съполимери с различни свързани катиони [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56 (13): 1395 - 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Силно кватернизирани полистиренови йономери за високоефективни водни електролизатори с анионообменна мембрана [J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 - 385.