Ioonvahetusmembraani (AEM) hüdroelektrolüüsi edenemine ja majanduslik analüüs vesiniku tootmiseks

AEM on mingil määral PEM-i ja traditsioonilise diafragmapõhise leelise elektrolüüsi hübriid. AEM elektrolüütilise elemendi põhimõte on näidatud joonisel 3. Katoodil redutseeritakse vesi vesiniku ja OH - tootmiseks. OH - voolab läbi diafragma anoodile, kus see rekombineerub hapniku tootmiseks.

Li et al. [1-2] uuris kõrgkvaterniseeritud polüstüreeni ja polüfenüleenist AEM suure jõudlusega veeelektrolüüsijat ning tulemused näitasid, et voolutihedus oli 85°C juures 2,7A/cm2 pingel 1,8V. Kasutades vesiniku tootmise katalüsaatoritena NiFe ja PtRu/C, vähenes voolutihedus oluliselt 906mA/cm2. Chen et al. [5] uuris suure efektiivsusega mitteväärismetallist elektrolüütilise katalüsaatori kasutamist leeliselise polümeerkile elektrolüsaatoris. Elektrolüütiliste vesiniku tootmise katalüsaatorite sünteesimiseks redutseeriti NiMo oksiide erinevatel temperatuuridel H2/NH3, NH3, H2 ja N2 gaasidega. Tulemused näitavad, et H2/NH3 redutseerimisega NiMo-NH3/H2 katalüsaatoril on parim jõudlus, voolutihedus on kuni 1,0 A/cm2 ja energia muundamise efektiivsus 75% 1,57 V ja 80 °C juures. Evonik Industries, tuginedes oma olemasolevale gaasieraldusmembraanitehnoloogiale, on välja töötanud patenteeritud polümeermaterjali AEM elektrolüütilistes elementides kasutamiseks ja laiendab praegu membraani tootmist pilootliinil. Järgmine samm on kontrollida süsteemi töökindlust ja parandada aku spetsifikatsioone, suurendades samal ajal tootmist.

Praegu on AEM-i elektrolüütiliste elementide peamised väljakutsed AEM-i kõrge juhtivuse ja leelisekindluse puudumine ning väärismetallist elektrokatalüsaator suurendab elektrolüütiliste seadmete tootmiskulusid. Samal ajal vähendab rakukile sisenev CO2 kile takistust ja elektroodi takistust, vähendades seega elektrolüütilist jõudlust. AEM elektrolüsaatori edasine arendussuund on järgmine: 1. Arendada kõrge juhtivuse, iooniselektiivsuse ja pikaajalise leeliselise stabiilsusega AEM. 2. Ületage väärismetallkatalüsaatori kõrge hinna probleem, töötage välja väärismetallita ja suure jõudlusega katalüsaator. 3. Praegu on AEM-elektrolüsaatori sihtmaksumus 20 dollarit/m2, mida tuleb odava tooraine ja sünteesietappide vähendamise kaudu vähendada, et vähendada AEM-elektrolüüsiseadme üldkulusid. 4. Vähendage elektrolüütilise elemendi CO2 sisaldust ja parandage elektrolüütilist jõudlust.

[1] Liu L, Kohl P A. Erinevate lõastatud katioonidega aniooni juhtivad multiplokk-kopolümeerid[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395–1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Kõrgelt kvaterniseeritud polüstüreeni ionomeerid suure jõudlusega anioonivahetusmembraani vee elektrolüüsiseadmete jaoks[J]. Loodusenergia, 2020, 5: 378–385.