Vývoj a ekonomická analýza hydroelektrolýzy iónomeničovej membrány (AEM) na výrobu vodíka

AEM je do určitej miery hybridom PEM a tradičnej diafragmovej elektrolýzy lúhu. Princíp AEM elektrolytického článku je znázornený na obrázku 3. Na katóde sa redukuje voda za vzniku vodíka a OH-. OH -- preteká cez membránu k anóde, kde sa rekombinuje za vzniku kyslíka.

Li a spol. [1-2] študovali vysokovýkonný vodný elektrolyzér AEM s vysoko kvarternizovaným polystyrénom a polyfenylénom a výsledky ukázali, že prúdová hustota bola 2,7A/cm2 pri 85°C pri napätí 1,8V. Pri použití NiFe a PtRu/C ako katalyzátorov na výrobu vodíka sa prúdová hustota výrazne znížila na 906 mA/cm2. Chen a kol. [5] študovali aplikáciu vysokoúčinného elektrolytického katalyzátora z neušľachtilých kovov v alkalickom polymérnom filmovom elektrolyzéri. Oxidy NiMo boli redukované plynmi H2/NH3, NH3, H2 a N2 pri rôznych teplotách, aby sa syntetizovali katalyzátory na výrobu elektrolytického vodíka. Výsledky ukazujú, že katalyzátor NiMo-NH3/H2 s redukciou H2/NH3 má najlepší výkon s prúdovou hustotou až 1,0 A/cm2 a účinnosťou premeny energie 75 % pri 1,57 V a 80 °C. Spoločnosť Evonik Industries na základe svojej existujúcej technológie membrán na separáciu plynov vyvinula patentovaný polymérny materiál na použitie v elektrolytických článkoch AEM a v súčasnosti rozširuje výrobu membrán na pilotnej linke. Ďalším krokom je overenie spoľahlivosti systému a zlepšenie špecifikácií batérie a zároveň zvýšenie výroby.

V súčasnosti sú hlavnými výzvami, ktorým čelia elektrolytické články AEM, nedostatok vysokej vodivosti a alkalickej odolnosti AEM a elektrokatalyzátor z drahých kovov zvyšuje náklady na výrobu elektrolytických zariadení. Súčasne CO2 vstupujúci do filmu článku zníži odpor filmu a odpor elektród, čím sa zníži elektrolytický výkon. Budúci smer vývoja elektrolyzéra AEM je nasledovný: 1. Vyvinúť AEM s vysokou vodivosťou, iónovou selektivitou a dlhodobou alkalickou stabilitou. 2. Prekonajte problém vysokej ceny katalyzátora z drahých kovov, vytvorte katalyzátor bez drahých kovov a vysoký výkon. 3. V súčasnosti sú cieľové náklady na elektrolyzér AEM 20 USD/m2, ktoré je potrebné znížiť lacnými surovinami a zníženými krokmi syntézy, aby sa znížili celkové náklady na elektrolyzér AEM. 4. Znížte obsah CO2 v elektrolytickom článku a zlepšite elektrolytický výkon.

[1] Liu L,Kohl P A. Aniónové vodivé multiblokové kopolyméry s rôznymi viazanými katiónmi[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Vysoko kvarternizované polystyrénové ionoméry pre vysokovýkonné vodné elektrolyzéry s aniónovou výmennou membránou[J]. Energia prírody, 2020, 5: 378 -- 385.