Прогресс и экономический анализ гидроэлектролиза с ионообменной мембраной (АЭМ) для производства водорода

AEM в некоторой степени является гибридом PEM и традиционного электролиза щелочи на основе диафрагмы. Принцип электролизера AEM показан на рисунке 3. На катоде вода восстанавливается с образованием водорода и ОН-. ОН - течет через диафрагму к аноду, где рекомбинирует с образованием кислорода.

Ли и др. В работах [1-2] изучался высокопроизводительный электролизер воды АЭМ из высококватернизированного полистирола и полифенилена, и результаты показали, что плотность тока составила 2,7 А/см2 при 85°С при напряжении 1,8 В. При использовании NiFe и PtRu/C в качестве катализаторов для получения водорода плотность тока значительно снизилась до 906 мА/см2. Чен и др. [5] изучали применение высокоэффективного электролитического катализатора из неблагородных металлов в щелочном электролизере с полимерной пленкой. Оксиды NiMo восстанавливали газами H2/NH3, NH3, H2 и N2 при различных температурах для синтеза катализаторов электролитического производства водорода. Результаты показывают, что катализатор NiMo-NH3/H2 с восстановлением H2/NH3 обладает наилучшей производительностью, с плотностью тока до 1,0 А/см2 и эффективностью преобразования энергии 75% при 1,57 В и 80°C. Evonik Industries, основываясь на существующей технологии газоразделительной мембраны, разработала запатентованный полимерный материал для использования в электролитических ячейках AEM и в настоящее время расширяет производство мембран на пилотной линии. Следующим шагом является проверка надежности системы и улучшение характеристик аккумуляторов при одновременном расширении производства.

В настоящее время основными проблемами, с которыми сталкиваются АЭМ-электролиты, являются отсутствие у АЭМ высокой проводимости и щелочестойкости, а электрокатализатор из драгоценных металлов увеличивает стоимость изготовления электролитических устройств. В то же время CO2, попадающий в пленку элемента, снижает сопротивление пленки и сопротивление электрода, тем самым снижая электролитическую производительность. Будущее направление развития электролизера АЭМ выглядит следующим образом: 1. Разработать АЭМ с высокой проводимостью, ионной селективностью и долговременной щелочной стабильностью. 2. Преодоление проблемы высокой стоимости катализатора из драгоценного металла, разработка катализатора без драгоценного металла и высокая производительность. 3. В настоящее время целевая стоимость электролизера AEM составляет 20 долларов США / м2, и ее необходимо снизить за счет дешевого сырья и сокращения этапов синтеза, чтобы снизить общую стоимость электролизера AEM. 4. Уменьшите содержание CO2 в электролизере и улучшите электролитическую производительность.

[1] Лю Л., Коль П. А. Анионпроводящие мультиблок-сополимеры с различными связанными катионами [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W и др. Полистирольные иономеры с высокой степенью кватернизации для высокоэффективных электролизеров воды с анионообменной мембраной[J]. Энергия природы, 2020, 5: 378 -- 385.