Progresso e análise econômica da hidroeletrólise de membrana de troca iônica (AEM) para produção de hidrogênio

AEM é, até certo ponto, um híbrido de PEM e eletrólise de soda cáustica baseada em diafragma tradicional. O princípio da célula eletrolítica AEM é mostrado na Figura 3. No cátodo, a água é reduzida para produzir hidrogênio e OH -. OH - flui através do diafragma para o ânodo, onde se recombina para produzir oxigênio.

Li et ai. [1-2] estudaram poliestireno altamente quaternizado e polifenileno AEM eletrolisador de água de alto desempenho, e os resultados mostraram que a densidade de corrente era 2,7A/cm2 a 85°C com uma voltagem de 1,8V. Ao usar NiFe e PtRu/C como catalisadores para produção de hidrogênio, a densidade de corrente diminuiu significativamente para 906mA/cm2. Chen et ai. [5] estudaram a aplicação de catalisador eletrolítico de metal não nobre de alta eficiência em eletrolisador de filme de polímero alcalino. Óxidos de NiMo foram reduzidos pelos gases H2/NH3, NH3, H2 e N2 em diferentes temperaturas para sintetizar catalisadores eletrolíticos de produção de hidrogênio. Os resultados mostram que o catalisador NiMo-NH3/H2 com redução de H2/NH3 tem o melhor desempenho, com densidade de corrente de até 1,0A/cm2 e eficiência de conversão de energia de 75% a 1,57V e 80°C. A Evonik Industries, com base em sua tecnologia de membrana de separação de gás existente, desenvolveu um material polimérico patenteado para uso em células eletrolíticas AEM e atualmente está expandindo a produção de membrana em uma linha piloto. O próximo passo é verificar a confiabilidade do sistema e melhorar as especificações da bateria, enquanto aumenta a produção.

Atualmente, os principais desafios enfrentados pelas células eletrolíticas AEM são a falta de alta condutividade e resistência alcalina do AEM, e o eletrocatalisador de metal precioso aumenta o custo de fabricação de dispositivos eletrolíticos. Ao mesmo tempo, a entrada de CO2 no filme da célula reduzirá a resistência do filme e a resistência do eletrodo, reduzindo assim o desempenho eletrolítico. A direção de desenvolvimento futuro do eletrolisador AEM é a seguinte: 1. Desenvolver AEM com alta condutividade, seletividade de íons e estabilidade alcalina de longo prazo. 2. Supere o problema do alto custo do catalisador de metais preciosos, desenvolva catalisadores sem metais preciosos e de alto desempenho. 3. Atualmente, o custo-alvo do eletrolisador AEM é de $ 20 /m2, que precisa ser reduzido por meio de matérias-primas baratas e etapas de síntese reduzidas, de modo a reduzir o custo total do eletrolisador AEM. 4. Reduza o conteúdo de CO2 na célula eletrolítica e melhore o desempenho eletrolítico.

[1] Liu L,Kohl P A. Copolímeros multibloco condutores de ânions com diferentes cátions amarrados[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park EJ, Zhu W,et al. Ionômeros de poliestireno altamente quaternizados para eletrolisadores de água com membrana de troca aniônica de alto desempenho [J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 -- 385.