Fremdrift og økonomisk analyse av ionebyttermembran (AEM) hydroelektrolyse for hydrogenproduksjon

AEM er til en viss grad en hybrid av PEM og tradisjonell diafragmabasert lutelektrolyse. Prinsippet for AEM elektrolysecelle er vist i figur 3. Ved katoden reduseres vann for å produsere hydrogen og OH -. OH -- strømmer gjennom membranen til anoden, hvor den rekombinerer for å produsere oksygen.

Li et al. [1-2] studerte høyt kvaternisert polystyren og polyfenylen AEM høyytelses vannelektrolysator, og resultatene viste at strømtettheten var 2,7A/cm2 ved 85°C ved en spenning på 1,8V. Ved bruk av NiFe og PtRu/C som katalysatorer for hydrogenproduksjon, sank strømtettheten betydelig til 906mA/cm2. Chen et al. [5] studerte bruken av høyeffektiv ikke-edelmetall elektrolytisk katalysator i alkalisk polymerfilmelektrolysator. NiMo-oksider ble redusert med H2/NH3-, NH3-, H2- og N2-gasser ved forskjellige temperaturer for å syntetisere elektrolytiske hydrogenproduksjonskatalysatorer. Resultatene viser at NiMo-NH3/H2-katalysatoren med H2/NH3-reduksjon har den beste ytelsen, med strømtetthet opp til 1,0A/cm2 og energikonverteringseffektivitet på 75 % ved 1,57V og 80°C. Evonik Industries, basert på sin eksisterende gassseparasjonsmembranteknologi, har utviklet et patentert polymermateriale for bruk i AEM-elektrolyseceller og utvider for tiden membranproduksjonen på en pilotlinje. Det neste trinnet er å verifisere påliteligheten til systemet og forbedre batterispesifikasjonene, samtidig som produksjonen skaleres opp.

For tiden er hovedutfordringene AEM-elektrolyseceller står overfor mangelen på høy ledningsevne og alkalisk motstand til AEM, og elektrokatalysatoren av edelt metall øker kostnadene ved å produsere elektrolytiske enheter. Samtidig vil CO2 som kommer inn i cellefilmen redusere filmmotstanden og elektrodemotstanden, og dermed redusere den elektrolytiske ytelsen. Den fremtidige utviklingsretningen for AEM elektrolysator er som følger: 1. Utvikle AEM med høy ledningsevne, ioneselektivitet og langsiktig alkalisk stabilitet. 2. Overvinn problemet med høye kostnader for edelt metallkatalysator, utvikle katalysator uten edelt metall og høy ytelse. 3. For øyeblikket er målkostnaden for AEM-elektrolysator $20/m2, som må reduseres gjennom billige råvarer og reduserte syntesetrinn, for å redusere den totale kostnaden for AEM-elektrolysator. 4. Reduser CO2-innholdet i elektrolysecellen og forbedre den elektrolytiske ytelsen.

[1] Liu L,Kohl P A. Anionledende multiblokk-kopolymerer med forskjellige bundne kationer[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Høyt kvaterniserte polystyrenionomerer for høyytelses anionbyttermembranvannelektrolysatorer[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 – 385.