Vývoj a ekonomická analýza hydroelektrolýzy iontoměničové membrány (AEM) pro výrobu vodíku

AEM je do jisté míry hybridem PEM a tradiční elektrolýzy louhu na bázi diafragmy. Princip AEM elektrolytického článku je znázorněn na obrázku 3. Na katodě se redukuje voda za vzniku vodíku a OH-. OH -- protéká membránou k anodě, kde se rekombinuje za vzniku kyslíku.

Li a kol. [1-2] studovali vysoce výkonný vodní elektrolyzér AEM s vysoce kvarternizovaným polystyrenem a polyfenylenem a výsledky ukázaly, že proudová hustota byla 2,7A/cm2 při 85°C při napětí 1,8V. Při použití NiFe a PtRu/C jako katalyzátorů pro výrobu vodíku se proudová hustota výrazně snížila na 906 mA/cm2. Chen a kol. [5] studovali aplikaci vysoce účinného elektrolytického katalyzátoru z neušlechtilých kovů v elektrolyzéru alkalického polymeru. Oxidy NiMo byly redukovány plyny H2/NH3, NH3, H2 a N2 při různých teplotách za účelem syntézy elektrolytických katalyzátorů pro výrobu vodíku. Výsledky ukazují, že katalyzátor NiMo-NH3/H2 s redukcí H2/NH3 má nejlepší výkon s proudovou hustotou až 1,0 A/cm2 a účinností přeměny energie 75 % při 1,57 V a 80 °C. Společnost Evonik Industries na základě své stávající technologie membrán pro separaci plynů vyvinula patentovaný polymerní materiál pro použití v elektrolytických článcích AEM a v současné době rozšiřuje výrobu membrán na pilotní lince. Dalším krokem je ověření spolehlivosti systému a zlepšení specifikací baterií a zároveň zvýšení výroby.

V současnosti jsou hlavními výzvami, kterým čelí AEM elektrolytické články, nedostatek vysoké vodivosti a alkalické odolnosti AEM a elektrokatalyzátor z drahých kovů zvyšuje náklady na výrobu elektrolytických zařízení. Současně CO2 vstupující do filmu článku sníží odpor filmu a odpor elektrody, čímž se sníží elektrolytický výkon. Budoucí směr vývoje elektrolyzéru AEM je následující: 1. Vyvinout AEM s vysokou vodivostí, iontovou selektivitou a dlouhodobou alkalickou stabilitou. 2. Překonejte problém vysoké ceny katalyzátoru z drahých kovů, vyviňte katalyzátor bez drahých kovů a vysoký výkon. 3. V současné době jsou cílové náklady na elektrolyzér AEM 20 USD/m2, které je třeba snížit levnými surovinami a omezenými kroky syntézy, aby se snížily celkové náklady na elektrolyzér AEM. 4. Snižte obsah CO2 v elektrolytickém článku a zlepšujte elektrolytický výkon.

[1] Liu L,Kohl P A. Aniontové vodivé multiblokové kopolymery s různými tetherovanými kationty[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Vysoce kvarternizované ionomery polystyrenu pro vysoce výkonné vodní elektrolyzéry s anexovou membránou[J]. Energie přírody, 2020, 5: 378 -- 385.