Progresso e analisi economica dell'idroelettrolisi della membrana a scambio ionico (AEM) per la produzione di idrogeno

AEM è in una certa misura un ibrido di PEM e tradizionale elettrolisi a base di liscivia a diaframma. Il principio della cella elettrolitica AEM è mostrato nella Figura 3. Al catodo, l'acqua viene ridotta per produrre idrogeno e OH -. OH -- scorre attraverso il diaframma fino all'anodo, dove si ricombina per produrre ossigeno.

Li et al. [1-2] hanno studiato l'elettrolizzatore ad acqua ad alte prestazioni AEM in polistirene e polifenilene altamente quaternizzato, e i risultati hanno mostrato che la densità di corrente era di 2,7 A/cm2 a 85°C con una tensione di 1,8 V. Utilizzando NiFe e PtRu/C come catalizzatori per la produzione di idrogeno, la densità di corrente è diminuita significativamente a 906 mA/cm2. Chen et al. [5] ha studiato l'applicazione del catalizzatore elettrolitico di metalli non nobili ad alta efficienza nell'elettrolizzatore a film polimerico alcalino. Gli ossidi di NiMo sono stati ridotti dai gas H2/NH3, NH3, H2 e N2 a diverse temperature per sintetizzare catalizzatori elettrolitici per la produzione di idrogeno. I risultati mostrano che il catalizzatore NiMo-NH3/H2 con riduzione H2/NH3 ha le migliori prestazioni, con densità di corrente fino a 1.0A/cm2 ed efficienza di conversione energetica del 75% a 1.57V e 80°C. Evonik Industries, sulla base della sua attuale tecnologia a membrana per la separazione dei gas, ha sviluppato un materiale polimerico brevettato da utilizzare nelle celle elettrolitiche AEM e sta attualmente espandendo la produzione di membrane su una linea pilota. Il passo successivo è verificare l'affidabilità del sistema e migliorare le specifiche della batteria, aumentando al contempo la produzione.

Al momento, le principali sfide che le celle elettrolitiche AEM devono affrontare sono la mancanza di elevata conducibilità e resistenza alcalina di AEM e l'elettrocatalizzatore di metalli preziosi aumenta il costo di produzione di dispositivi elettrolitici. Allo stesso tempo, la CO2 che entra nel film cellulare ridurrà la resistenza del film e la resistenza dell'elettrodo, riducendo così le prestazioni elettrolitiche. La futura direzione di sviluppo dell'elettrolizzatore AEM è la seguente: 1. Sviluppare AEM con elevata conduttività, selettività ionica e stabilità alcalina a lungo termine. 2. Superare il problema dell'alto costo del catalizzatore di metalli preziosi, sviluppare un catalizzatore senza metalli preziosi e ad alte prestazioni. 3. Attualmente, il costo target dell'elettrolizzatore AEM è di $ 20 / m2, che deve essere ridotto attraverso materie prime economiche e fasi di sintesi ridotte, in modo da ridurre il costo complessivo dell'elettrolizzatore AEM. 4. Ridurre il contenuto di CO2 nella cella elettrolitica e migliorare le prestazioni elettrolitiche.

[1] Liu L, Kohl P A. Anioni che conducono copolimeri multiblocco con diversi cationi legati[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Ionomeri di polistirene altamente quaternizzato per elettrolizzatori dell'acqua con membrana a scambio anionico ad alte prestazioni[J]. Energia della natura, 2020, 5: 378 -- 385.