W ostatnich latach badania nadwysokowydajne, tanie elektrolizery wodyzyskało powszechną uwagę, ponieważ produkcja i wykorzystanie wodoru na dużą skalę są kluczowe dla zwiększenia odporności systemów wytwarzania i przesyłu energii odnawialnej. Obecnie najpowszechniejszą metodą produkcji wodoru jest reforming parowy metanu lub innych węglowodorów, ale proces ten generuje znaczne emisje dwutlenku węgla. Dlategoelektrolizery wodyktóre wytwarzają wodór i tlen poprzezelektrochemiczne rozszczepianie wodystały się ośrodkiem badań naukowych.
W warunkach pracy w wysokiej temperaturze (700–950°C)elektrolizery parowe tlenków stałych (SOEC)zostały opracowane i zweryfikowane w skali laboratoryjnej i pilotażowej (patrz rysunek 1). Wysoka temperatura roboczaSOECpozwala im działać przy stosunkowo niskim napięciu ogniw, niemal bez ograniczeń kinetycznych, osiągając niemal 100%wysoka wartość opałowa (HHV) wydajność elektrolizyprzy gęstości prądu około 1 A/cm². Jednak praca w wysokiej temperaturze niesie ze sobą również wiele wyzwań, takich jak długie czasy rozruchu i wyłączania, szybka degradacja z powodu wysokotemperaturowej interdyfuzji składników ogniwa i zatrucia spowodowane produktami korozji, co sprawia, żeSOECnapotykają trudności we wdrożeniu na rynek.
Problemy z alkaliami iElektrolizery PEM
Elektrolizery wody z membraną wymiany protonów (PEMWE) wykorzystaćmembrany wymiany protonów (PEM)i jonomery w elektrodach, co pozwala na działanie bez cyrkulacji płynnych elektrolitów. W tej konfiguracji zarówno anoda, jak i katoda znajdują się w bezpośrednim kontakcie z nieporowatymPEM, tworząc zwarty układ komórek (konstrukcja z zerową przerwą) (patrz rysunek 3). Taka konstrukcja umożliwiaPEMWEpracować przy gęstości prądu wynoszącej około 2 A/cm².
Co więcej, nieporowata membrana wPEMWEwspierapraca przy różnicy ciśnień, umożliwiając wytwarzanie wodoru pod wysokim ciśnieniem na katodzie i wytwarzanie tlenu pod ciśnieniem atmosferycznym na anodzie. Zmniejsza to potrzebę wtórnego mechanicznego sprężania w celu magazynowania wodoru. Pomimo tych zalet, wysoki kosztelektrokatalizatory(takie jak tlenek irydu i platyna) oraz odporne na korozję kolektory prądu i płyty bipolarne stosowane w środowiskach kwaśnych mogą stać się czynnikami ograniczającymi dla systemów na dużą skalę. Jest to szczególnie prawdziwe w miarę wzrostu rozmiaru stosu, a te komponenty znacząco przyczyniają się do całkowitego kosztu systemu. ObaZachwytyIPEMWEsą uważane za technologie dojrzałe i zostały wdrożone komercyjnie na podstawie konkretnych potrzeb aplikacji.
W warunkach pracy w niskich temperaturach (poniżej 100°C)elektrolizery wody alkalicznej (AWE)są dojrzałą technologią.Zachwytyużyj wodnego roztworu zawierającegowodorotlenek potasu (KOH)jako płynny elektrolit i są wyposażone wmembrany separacyjne porowate(patrz Rysunek 2). Przeprowadzono obszerne badania na temat rozwojuelektrokatalizatory niezawierające metali z grupy platynowców (PGM)do reakcji wydzielania wodoru i tlenu (tj.reakcja wydzielania wodoru (HER)Ireakcja wydzielania tlenu (OER)). Obecny kierunek badań skupia się na projektach, takich jak konfiguracje zerowej szczeliny, w celu zwiększenia gęstości prądu lub ciśnienia roboczego. Jednakże,Zachwytycharakteryzują się stosunkowo niską szybkością produkcji wodoru, zwykle wynoszącą około 200 mA/cm² przy napięciu ogniwa wynoszącym 1,8 V.
Zasady działania elektrolizera AEM
Elektrolizery wody z membraną wymiany anionowej (AEMWE)działać w środowisku alkalicznym i może używaćkatalizatory niezawierające metali z grupy platynowców (PGM). Tenmembrana anionowymienna (AEM)jest nieporowatym przewodzącym tlenek wodoru polimerem z ustalonymi dodatnio naładowanymi grupami funkcyjnymi na łańcuchach głównych lub bocznych, umożliwiającym konfiguracje z zerową szczeliną i pracę przy różnicy ciśnień (patrz rysunek 4).
Ogólna reakcja wAEMWEobejmuje reakcję wydzielania wodoru (HER) i reakcję wydzielania tlenu (OER). Woda lub alkaliczny elektrolit ciekły krąży przez katodę, gdzie woda jest redukowana do wodoru i jonów wodorotlenkowych poprzez dodanie dwóch elektronów (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Jony wodorotlenkowe dyfundują przezAEMdo anody, podczas gdy elektrony są przenoszone przez obwód zewnętrzny do katody. Na anodzie jony wodorotlenkowe rekombinują, tworząc tlen i wodę, generując dwa elektrony (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Gazy wodoru i tlenu tworzą się jako pęcherzyki na powierzchniach katalizatorów HER i OER. Podobnie jakPEMWE, tenmembrana nieporowatakonfiguracja zerowej przerwyAEMWEumożliwia szybką produkcję wodoru i zmniejsza potrzebę mechanicznego sprężania w celu jego przechowywania.
Warto zauważyć, żeAEMWEpołączyć zaletyZachwyty(katalizatory bez PGM) iPEMWE(konfiguracje z zerową przerwą i membrany nieporowate). Co ciekawe, w przeciwieństwie doPEMWE, które wykorzystują wyłącznie elektrolity polimerowe, wieleAEMWEStosuje się również elektrolity płynne (takie jak roztwory KOH lub K₂CO₃).
Najnowsze badania modelowe sugerują, że dodanie płynnego elektrolitu nie tylko zmniejszaoporność omowamembrany i warstwy katalizatora, ale także poprawia kinetykę reakcji. Poprzez dodanie ciekłego elektrolitu do ogniwa, lokalne pH na granicy katalizator-elektrolit wzrasta, tworząc dodatkowy interfejs elektrochemiczny. PrzemysłowyAEMWEzkatalizatory na bazie nikluw roztworze KOH o stężeniu 1 M wytwarzają wodór przy napięciu 2 V i gęstości prądu 1,8 A/cm², osiągając wydajność porównywalną z konwencjonalnymiPEMWEprzy ciśnieniu atmosferycznym. Ze względu na niski kosztkatalizatoryi sprzętu, a także stosownej konfiguracji zerowej szczeliny i pracy przy różnicy ciśnień,AEMWEcieszą się coraz większym zainteresowaniem produkcją wodoru.
Wyzwania związane z trwałością elektrolizerów AEM
Podstawowym wyzwaniem technicznymAEMWE(Elektrolizery wody z membraną wymiany anionowej) w systemach komercyjnie opłacalnych to ichtrwałość. Trwałość wAEMWEodnosi się ogólnie do żywotności urządzenia. Na wczesnych etapachWstańmyrozwoju, pomiar trwałości był stosunkowo łatwy, ponieważ żywotność ogniw była krótsza (mniej niż 500 godzin). Jednak im bardziej trwałeAEMWEsą rozwinięte, mierzenie ich żywotności stało się bardziej skomplikowane.
Ważne jest, aby pamiętać, że eksploatacja ogniwa przez ponad 10 000 godzin zajmuje ponad rok. Dlatego trwałośćAEMWEjest zazwyczaj oceniana poprzez pomiar szybkości zmian napięcia w długoterminowych testach (100-1000 godzin) lub poprzez zastosowanie przyspieszonych testów wytrzymałościowych (AST) w warunkach przyspieszonej degradacji (takich jak wyższe temperatury robocze i wysokie gęstości prądu). Należy jednak zauważyć, że długoterminowe testy wykorzystujące szybkości zmian napięcia i testy żywotności w warunkach AST mogą nie przewidywać dokładnie trwałościAEMWE, ponieważ żywotność ogniwa jest zależna od wielu trybów degradacji i często jest ograniczona przez katastrofalną awarię. Dlatego też nadal konieczne jest ciągłe uruchamianie ogniwa w normalnych warunkach pracy, aby uzyskać jego prawdziwą żywotność.
Chociaż żywotność stosu komercyjnegoelektrolizery wody z membraną wymiany protonów (PEMWE)wynosi od 20 000 do 60 000 godzin, co jest podawaną żywotnością większościAEMWEwynosi około 3000 godzin. Ponadto większośćAEMWEsą testowane w warunkach ciśnienia atmosferycznego.
