Hidrojen üretimi için iyon değişim membranı (AEM) hidroelektrolizinin ilerlemesi ve ekonomik analizi

AEM, bir dereceye kadar PEM ve geleneksel diyafram bazlı sodalı su elektrolizinin bir hibritidir. AEM elektrolitik hücresinin prensibi Şekil 3'te gösterilmektedir. Katotta su indirgenerek hidrojen ve OH- üretilir. OH -- diyaframdan anoda akar ve burada oksijen üretmek için yeniden birleşir.

Li ve ark. [1-2] yüksek oranda kuaternize polistiren ve polifenilen AEM yüksek performanslı su elektrolizörünü inceledi ve sonuçlar akım yoğunluğunun 85°C'de 1.8V'luk bir voltajda 2.7A/cm2 olduğunu gösterdi. Hidrojen üretimi için katalizör olarak NiFe ve PtRu/C kullanıldığında, akım yoğunluğu önemli ölçüde 906mA/cm2'ye düştü. Chen ve ark. [5], alkalin polimer film elektrolizörde yüksek verimli asil olmayan metal elektrolitik katalizör uygulamasını inceledi. NiMo oksitler, elektrolitik hidrojen üretim katalizörlerini sentezlemek için farklı sıcaklıklarda H2/NH3, NH3, H2 ve N2 gazları ile indirgenmiştir. Sonuçlar, H2/NH3 indirgemeli NiMo-NH3/H2 katalizörünün 1,0A/cm2'ye kadar akım yoğunluğu ve 1,57V ve 80°C'de %75'lik enerji dönüştürme verimliliği ile en iyi performansa sahip olduğunu göstermektedir. Evonik Industries, mevcut gaz ayırma membran teknolojisine dayalı olarak, AEM elektrolitik hücrelerde kullanım için patentli bir polimer malzeme geliştirdi ve şu anda bir pilot hatta membran üretimini genişletiyor. Bir sonraki adım, sistemin güvenilirliğini doğrulamak ve üretimi artırırken pil özelliklerini iyileştirmektir.

Şu anda, AEM elektrolitik hücrelerinin karşılaştığı ana zorluklar, AEM'nin yüksek iletkenliği ve alkalin direncinin olmaması ve değerli metal elektrokatalizörü, elektrolitik cihazların imalat maliyetini arttırmasıdır. Aynı zamanda hücre filmine giren CO2, film direncini ve elektrot direncini düşürerek elektrolitik performansı düşürür. AEM elektrolizörünün gelecekteki geliştirme yönü aşağıdaki gibidir: 1. Yüksek iletkenlik, iyon seçiciliği ve uzun vadeli alkali kararlılığı ile AEM geliştirin. 2. Değerli metal katalizörünün yüksek maliyeti sorununun üstesinden gelin, değerli metalsiz ve yüksek performanslı katalizör geliştirin. 3. Şu anda, AEM elektrolizörünün hedef maliyeti 20 $/m2'dir ve AEM elektrolizörünün toplam maliyetini azaltmak için ucuz hammaddeler ve azaltılmış sentez adımları yoluyla düşürülmesi gerekir. 4. Elektrolitik hücredeki CO2 içeriğini azaltın ve elektrolitik performansı artırın.

[1] Liu L,Kohl P A. Farklı bağlı katyonlara sahip multiblok kopolimerleri ileten anyon[J].Journal of Polymer Science Bölüm A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Yüksek performanslı anyon değişim membranlı su elektrolizörleri için yüksek oranda kuaternize polistiren iyonomerler[J]. Doğa Enerjisi, 2020, 5: 378 -- 385.