پیشرفت و تجزیه و تحلیل اقتصادی هیدروالکترولیز غشای تبادل یونی (AEM) برای تولید هیدروژن

AEM تا حدی ترکیبی از PEM و الکترولیز لیک مبتنی بر دیافراگم سنتی است. اصل سلول الکترولیتی AEM در شکل 3 نشان داده شده است. در کاتد، آب برای تولید هیدروژن و OH - کاهش می یابد. OH - از طریق دیافراگم به آند جریان می یابد، جایی که برای تولید اکسیژن دوباره ترکیب می شود.

لی و همکاران [1-2] الکترولیز آب با کارایی بالا پلی استایرن و پلی فنیلن بسیار چهارتایی شده AEM را مورد مطالعه قرار داد و نتایج نشان داد که چگالی جریان 2.7A/cm2 در 85 درجه سانتیگراد در ولتاژ 1.8V بود. هنگام استفاده از NiFe و PtRu/C به عنوان کاتالیزور برای تولید هیدروژن، چگالی جریان به طور قابل توجهی به mA/cm2 906 کاهش یافت. چن و همکاران [5] کاربرد کاتالیزور الکترولیتی فلز غیر نجیب با کارایی بالا را در الکترولیز فیلم پلیمری قلیایی مورد مطالعه قرار داد. اکسیدهای NiMo توسط گازهای H2/NH3، NH3، H2 و N2 در دماهای مختلف برای سنتز کاتالیزورهای تولید هیدروژن الکترولیتی کاهش یافتند. نتایج نشان می‌دهد که کاتالیزور NiMo-NH3/H2 با کاهش H2/NH3 بهترین عملکرد را دارد، با چگالی جریان تا 1.0A/cm2 و بازده تبدیل انرژی 75 درصد در ولتاژ 1.57 و 80 درجه سانتی‌گراد. صنایع Evonik، بر اساس فناوری غشای جداسازی گاز موجود خود، یک ماده پلیمری ثبت اختراع را برای استفاده در سلول‌های الکترولیتی AEM ایجاد کرده است و در حال حاضر در حال توسعه تولید غشا در خط آزمایشی است. گام بعدی بررسی قابلیت اطمینان سیستم و بهبود مشخصات باتری و در عین حال افزایش تولید است.

در حال حاضر، چالش های اصلی پیش روی سلول های الکترولیتی AEM عدم رسانایی بالا و مقاومت قلیایی AEM است و الکتروکاتالیست فلز گرانبها هزینه ساخت دستگاه های الکترولیتی را افزایش می دهد. در همان زمان، CO2 وارد شده به فیلم سلول، مقاومت فیلم و مقاومت الکترود را کاهش می دهد، در نتیجه عملکرد الکترولیتی را کاهش می دهد. جهت توسعه آینده الکترولایزر AEM به شرح زیر است: 1. توسعه AEM با هدایت بالا، انتخاب یون و پایداری قلیایی طولانی مدت. 2. غلبه بر مشکل هزینه بالای کاتالیزور فلزات گرانبها، توسعه کاتالیزور بدون فلز گرانبها و عملکرد بالا. 3. در حال حاضر، هزینه هدف الکترولایزر AEM 20 دلار در متر مربع است که باید از طریق مواد خام ارزان قیمت و مراحل سنتز کاهش یابد تا هزینه کلی الکترولیز AEM کاهش یابد. 4. کاهش محتوای CO2 در سلول الکترولیتی و بهبود عملکرد الکترولیتی.

[1] Liu L، Kohl P A. کوپلیمرهای چند بلوکی رسانای آنیون با کاتیون‌های مختلف متصل [J]. مجله علوم پلیمر قسمت A: شیمی پلیمر، 2018، 56 (13): 1395 - 1403.

[2] لی دی، پارک ای جی، ژو دبلیو، و همکاران. آینومرهای پلی استایرن بسیار چهارتایی شده برای الکترولیزهای آب غشای تبادل آنیونی با کارایی بالا [J]. انرژی طبیعت، 2020، 5: 378 - 385.