Jonų mainų membranos (AEM) hidroelektrolizės vandenilio gamybai pažanga ir ekonominė analizė

AEM tam tikru mastu yra PEM ir tradicinės diafragmos šarmo elektrolizės hibridas. AEM elektrolitinio elemento principas parodytas 3 paveiksle. Prie katodo vanduo redukuojamas, kad susidarytų vandenilis ir OH -. OH – teka per diafragmą į anodą, kur rekombinuojasi ir gamina deguonį.

Li ir kt. [1-2] ištyrė labai kvaternizuotą polistirolą ir polifenileną AEM didelio našumo vandens elektrolizatorių, ir rezultatai parodė, kad srovės tankis 85°C temperatūroje buvo 2,7A/cm2, esant 1,8V įtampai. Naudojant NiFe ir PtRu/C kaip vandenilio gamybos katalizatorius, srovės tankis gerokai sumažėjo iki 906mA/cm2. Chen ir kt. [5] tyrė didelio efektyvumo netauriųjų metalų elektrolitinio katalizatoriaus panaudojimą šarminės polimerinės plėvelės elektrolizatoriuje. NiMo oksidai buvo redukuojami H2/NH3, NH3, H2 ir N2 dujomis esant skirtingoms temperatūroms, siekiant susintetinti elektrolitinius vandenilio gamybos katalizatorius. Rezultatai rodo, kad NiMo-NH3/H2 katalizatorius su H2/NH3 redukcija pasižymi geriausiomis savybėmis – srovės tankis iki 1,0A/cm2, o energijos konversijos efektyvumas 75 % esant 1,57V ir 80°C. „Evonik Industries“, remdamasi savo esama dujų atskyrimo membranos technologija, sukūrė patentuotą polimerinę medžiagą, skirtą naudoti AEM elektrolitiniuose elementuose, ir šiuo metu plečia membranų gamybą pagal bandomąją liniją. Kitas žingsnis – patikrinti sistemos patikimumą ir pagerinti akumuliatoriaus specifikacijas, kartu didinant gamybą.

Šiuo metu pagrindiniai iššūkiai, su kuriais susiduria AEM elektrolitiniai elementai, yra AEM didelio laidumo ir šarminio atsparumo trūkumas, o tauriųjų metalų elektrokatalizatorius padidina elektrolitinių prietaisų gamybos sąnaudas. Tuo pačiu metu į elementų plėvelę patekęs CO2 sumažins plėvelės atsparumą ir elektrodo atsparumą, taip sumažindamas elektrolitinį efektyvumą. AEM elektrolizatoriaus ateities plėtros kryptis yra tokia: 1. Sukurti AEM, pasižymintį dideliu laidumu, jonų selektyvumu ir ilgalaikiu šarminiu stabilumu. 2. Išspręskite brangiųjų metalų katalizatoriaus brangumo problemą, sukurkite katalizatorių be tauriojo metalo ir didelio našumo. 3. Šiuo metu tikslinė AEM elektrolizatoriaus kaina yra 20 USD/m2, kurią reikia sumažinti naudojant pigias žaliavas ir sumažinant sintezės etapus, kad būtų sumažintos bendros AEM elektrolizatoriaus išlaidos. 4. Sumažinkite CO2 kiekį elektrolizės elemente ir pagerinkite elektrolitinį veikimą.

[1] Liu L, Kohl P A. Anijonams laidūs kelių blokų kopolimerai su skirtingais pririštais katijonais [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395–1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W ir kt. Labai kvaternizuoti polistireno jonomerai, skirti didelio našumo anijonų mainų membraniniams vandens elektrolizatoriams[J]. Gamtos energija, 2020, 5: 378–385.