Progresul și analiza economică a hidroelectrolizei membranei schimbătoare de ioni (AEM) pentru producerea de hidrogen

AEM este într-o oarecare măsură un hibrid dintre PEM și electroliza tradițională pe bază de leșie pe diafragmă. Principiul celulei electrolitice AEM este prezentat în Figura 3. La catod, apa este redusă pentru a produce hidrogen și OH -. OH - curge prin diafragmă către anod, unde se recombină pentru a produce oxigen.

Li şi colab. [1-2] a studiat electrolizorul de apă de înaltă performanță AEM din polistiren și polifenilen cuaternizat, iar rezultatele au arătat că densitatea de curent a fost de 2,7A/cm2 la 85°C la o tensiune de 1,8V. Când se utilizează NiFe și PtRu/C ca catalizatori pentru producerea de hidrogen, densitatea curentului a scăzut semnificativ la 906 mA/cm2. Chen şi colab. [5] a studiat aplicarea catalizatorului electrolitic de metal nenobil de înaltă eficiență în electrolizorul cu film polimeric alcalin. Oxizii de NiMo au fost reduși cu gaze H2/NH3, NH3, H2 și N2 la diferite temperaturi pentru a sintetiza catalizatori electrolitici de producere a hidrogenului. Rezultatele arată că catalizatorul NiMo-NH3/H2 cu reducerea H2/NH3 are cea mai bună performanță, cu densitate de curent de până la 1,0A/cm2 și eficiență de conversie a energiei de 75% la 1,57V și 80°C. Evonik Industries, bazată pe tehnologia sa existentă cu membrane de separare a gazelor, a dezvoltat un material polimeric patentat pentru utilizarea în celulele electrolitice AEM și extinde în prezent producția de membrane pe o linie pilot. Următorul pas este verificarea fiabilității sistemului și îmbunătățirea specificațiilor bateriei, în timp ce creșteți producția.

În prezent, principalele provocări cu care se confruntă celulele electrolitice AEM sunt lipsa conductivității ridicate și a rezistenței alcaline a AEM, iar electrocatalizatorul de metal prețios crește costul de fabricație a dispozitivelor electrolitice. În același timp, CO2 care intră în filmul celulei va reduce rezistența filmului și rezistența electrodului, reducând astfel performanța electrolitică. Direcția viitoare de dezvoltare a electrolizorului AEM este următoarea: 1. Dezvoltați AEM cu conductivitate ridicată, selectivitate ionică și stabilitate alcalină pe termen lung. 2. Depășiți problema costului ridicat al catalizatorului de metale prețioase, dezvoltați catalizator fără metale prețioase și de înaltă performanță. 3. În prezent, costul țintă al electrolizorului AEM este de 20 USD/m2, care trebuie redus prin materii prime ieftine și pași de sinteză reduse, astfel încât să se reducă costul total al electrolizorului AEM. 4. Reduceți conținutul de CO2 din celula electrolitică și îmbunătățiți performanța electrolitică.

[1] Liu L,Kohl PA. Copolimeri multibloc conducători de anioni cu diferiți cationi legați [J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Ionomeri de polistiren înalt cuaternizat pentru electrolizoare de apă cu membrană schimbătoare de anioni de înaltă performanță[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 -- 385.