Framsteg och ekonomisk analys av jonbytesmembran (AEM) hydroelektrolys för väteproduktion

AEM är till viss del en hybrid av PEM och traditionell diafragmabaserad lutelektrolys. Principen för AEM elektrolytisk cell visas i figur 3. Vid katoden reduceras vatten för att producera väte och OH -. OH -- flödar genom membranet till anoden, där det rekombinerar för att producera syre.

Li et al. [1-2] studerade högpresterande vattenelektrolysator av polystyren och polyfenylen AEM, och resultaten visade att strömtätheten var 2,7A/cm2 vid 85°C vid en spänning på 1,8V. När NiFe och PtRu/C användes som katalysatorer för väteproduktion minskade strömtätheten markant till 906mA/cm2. Chen et al. [5] studerade tillämpningen av högeffektiv icke-ädelmetallelektrolytisk katalysator i alkalisk polymerfilmelektrolysator. NiMo-oxider reducerades med H2/NH3-, NH3-, H2- och N2-gaser vid olika temperaturer för att syntetisera elektrolytiska väteproduktionskatalysatorer. Resultaten visar att NiMo-NH3/H2-katalysatorn med H2/NH3-reduktion har den bästa prestandan, med strömtäthet upp till 1,0A/cm2 och energiomvandlingseffektivitet på 75 % vid 1,57V och 80°C. Evonik Industries, baserat på sin befintliga gasseparationsmembranteknologi, har utvecklat ett patenterat polymermaterial för användning i AEM-elektrolytiska celler och utökar för närvarande membranproduktionen på en pilotlinje. Nästa steg är att verifiera systemets tillförlitlighet och förbättra batterispecifikationerna, samtidigt som man skalar upp produktionen.

För närvarande är de största utmaningarna för AEM-elektrolytiska celler bristen på hög ledningsförmåga och alkalisk resistans hos AEM, och ädelmetallelektrokatalysatorn ökar kostnaderna för tillverkning av elektrolytiska enheter. Samtidigt kommer CO2 som kommer in i cellfilmen att minska filmresistansen och elektrodresistansen, vilket minskar den elektrolytiska prestandan. Den framtida utvecklingsriktningen för AEM elektrolysör är följande: 1. Utveckla AEM med hög konduktivitet, jonselektivitet och långsiktig alkalisk stabilitet. 2. Övervinna problemet med höga kostnader för ädelmetallkatalysator, utveckla katalysator utan ädelmetall och hög prestanda. 3. För närvarande är målkostnaden för AEM-elektrolysören 20 USD/m2, vilket måste minskas genom billiga råmaterial och minskade syntessteg, för att minska den totala kostnaden för AEM-elektrolysören. 4. Minska CO2-halten i elektrolytisk cell och förbättra elektrolytisk prestanda.

[1] Liu L,Kohl P A. Anjonledande multiblocksampolymerer med olika bundna katjoner[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Högkvaterniserade polystyrenjonomerer för högpresterande anjonbytarmembranvattenelektrolysatorer[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 – 385.