AEM в некоторой степени представляет собой гибрид PEM и традиционного электролиза щелочи с использованием диафрагмы. Принцип работы электролитической ячейки AEM показан на рисунке 3. На катоде вода восстанавливается с образованием водорода и OH⁻. OH⁻ протекает через диафрагму к аноду, где рекомбинирует с образованием кислорода.
Ли и др. [1-2] исследовали высокоэффективный электролизер воды на основе высококватернизированного полистирола и полифенилена с анионообменной мембраной, и результаты показали, что плотность тока составляла 2,7 А/см² при 85 °C и напряжении 1,8 В. При использовании NiFe и PtRu/C в качестве катализаторов для производства водорода плотность тока значительно снизилась до 906 мА/см². Чен и др. [5] исследовали применение высокоэффективного электролитического катализатора из неблагородных металлов в щелочном полимерном пленочном электролизере. 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 наилучшими характеристиками, достигая плотности тока до 1,0 А/см² и эффективности преобразования энергии 75% при 1,57 В и 80 °C. Компания Evonik Industries, опираясь на существующую технологию газоразделительных мембран, разработала запатентованный полимерный материал для использования в электролитических ячейках с анионообменными мембранами и в настоящее время расширяет производство мембран на пилотной линии. Следующим шагом станет проверка надежности системы и улучшение характеристик батарей, а также масштабирование производства.
В настоящее время основными проблемами электролитических ячеек с анионообменными мембранами (АЭМ) являются недостаточная проводимость и щелочестойкость АЭМ, а также увеличение стоимости производства электролитических устройств за счет использования электрокатализаторов из драгоценных металлов. Одновременно с этим, проникновение CO2 в пленку ячейки снижает сопротивление пленки и сопротивление электрода, тем самым уменьшая электролитическую эффективность. Перспективные направления развития электролизеров с АЭМ следующие: 1. Разработка АЭМ с высокой проводимостью, ионной селективностью и долговременной щелочестойкостью. 2. Преодоление проблемы высокой стоимости катализаторов из драгоценных металлов, разработка высокоэффективных катализаторов без использования драгоценных металлов. 3. В настоящее время целевая стоимость электролизера с АЭМ составляет 20 долларов США/м2, которую необходимо снизить за счет использования дешевого сырья и сокращения этапов синтеза, чтобы уменьшить общую стоимость электролизера с АЭМ. 4. Снижение содержания CO2 в электролитической ячейке и повышение электролитической эффективности.
[1] Лю Л., Коль П. А. Анионпроводящие многоблочные сополимеры с различными связанными катионами [J]. Журнал полимерной науки, часть А: Полимерная химия, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Ли Д., Пак Э.Дж., Чжу В. и др. Высококватернизированные полистирольные иономеры для высокоэффективных электролизеров воды с анионообменной мембраной[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 — 385.
Дата публикации: 02.02.2023