De senaste åren har forskning omhögeffektiva, lågkostnadsvattenelektrolysatorerhar fått stor uppmärksamhet, eftersom storskalig produktion och användning av väte är avgörande för att förbättra motståndskraften hos förnybara elproduktions- och överföringssystem. För närvarande är den vanligaste metoden för väteproduktion genom ångreformering av metan eller andra kolväten, men denna process genererar betydande koldioxidutsläpp. Därför,vattenelektrolysatorersom genererar väte och syre viaelektrokemisk vattenklyvninghar blivit en forskningshotspot.
Under driftförhållanden med hög temperatur (700–950°C),ångelektrolysatorer med fast oxid (SOEC)har utvecklats och verifierats i laboratorie- och pilotskala (se figur 1). Den höga driftstemperaturen påSOECstillåter dem att arbeta vid relativt låga cellspänningar med nästan inga kinetiska begränsningar, vilket uppnår nära 100 %högt värmevärde (HHV) elektrolyseffektivitetvid en strömtäthet av ca 1 A/cm². Men högtemperaturdrift medför också många utmaningar, såsom långa start- och avstängningstider, snabb nedbrytning på grund av högtemperaturinterdiffusion av cellkomponenter och förgiftning orsakad av korrosionsprodukter, vilket görSOECsstöter på svårigheter med att distribuera marknaden.
Problem med Alkaline ochPEM elektrolysörer
Vattenelektrolysatorer med protonbytesmembran (PEMWE) utnyttjaprotonbytesmembran (PEM)och jonomerer i elektroderna, vilket tillåter drift utan att cirkulera flytande elektrolyter. I denna konfiguration är både anoden och katoden i direkt kontakt med det icke-porösaPEMbildande ett kompakt cellarrangemang (nollgap design) (se figur 3). Denna design möjliggörPEMWEsatt arbeta vid strömtätheter på cirka 2 A/cm².
Dessutom är det icke-porösa membranet iPEMWEsstödjerdifferenstrycksdrift, vilket möjliggör högtrycksvätealstring vid katoden och syrealstring vid atmosfärstryck vid anoden. Detta minskar behovet av sekundär mekanisk kompression för vätelagring. Trots dessa fördelar, den höga kostnaden förelektrokatalysatorer(som iridiumoxid och platina), och korrosionsbeständiga strömavtagare och bipolära plattor som används i sura miljöer, kan bli begränsande faktorer för storskaliga system. Detta gäller särskilt när stackstorleken ökar, och dessa komponenter bidrar väsentligt till den totala systemkostnaden. BådeAWEsochPEMWEsanses vara mogen teknik och har distribuerats kommersiellt baserat på specifika applikationsbehov.
Vid driftförhållanden med låga temperaturer (under 100°C),alkaliska vattenelektrolysörer (AWE)är en mogen teknik.AWEsanvänd en vattenlösning innehållandekaliumhydroxid (KOH)som den flytande elektrolyten och är utrustade medporösa separatormembran(se figur 2). Omfattande forskning har rapporterats om utvecklingen avplatinagruppmetall (PGM)-fria elektrokatalysatorerför väte- och syreutvecklingsreaktioner (dvs.väteutvecklingsreaktion (HER)ochsyreutvecklingsreaktion (OER)). Den nuvarande forskningsinriktningen fokuserar på konstruktioner som nollgap-konfigurationer för att öka strömtätheten eller driftstrycket. Dock,AWEshar relativt låga väteproduktionshastigheter, vanligtvis runt 200 mA/cm² vid en cellspänning på 1,8 V.
AEM-elektrolysatorns verksamhetsprinciper
Anjonbytarmembranvattenelektrolysörer (AEMWE)fungerar i en alkalisk miljö och kan användasplatinagruppmetall (PGM)-fria katalysatorer. Deanjonbytarmembran (AEM)är en icke-porös väteoxidledande polymer med fixerade positivt laddade funktionella grupper på dess huvud- eller sidokedjor, vilket möjliggör nollgapkonfigurationer och differentialtrycksdrift (se figur 4).
Den övergripande reaktionen iAEMWEsinvolverar väteutvecklingsreaktionen (HER) och syreevolutionsreaktionen (OER). Vatten eller alkalisk flytande elektrolyt cirkulerar genom katoden, där vatten reduceras till väte- och hydroxidjoner genom att tillsätta två elektroner (H2O + 2e⁻ → H2 + OH⁻). Hydroxidjonerna diffunderar genomAEMtill anoden, medan elektroner överförs genom den externa kretsen till katoden. Vid anoden rekombinerar hydroxidjoner för att bilda syre och vatten, vilket genererar två elektroner (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Väte- och syrgaser bildas som bubblor på HER- och OER-katalysatorytorna. LiknarPEMWEs, denicke-poröst membrannollgap konfiguration avAEMWEsmöjliggör höghastighetsproduktion av väte och minskar behovet av mekanisk kompression för vätelagring.
Det är anmärkningsvärt attAEMWEskombinera fördelarna medAWEs(PGM-fria katalysatorer) ochPEMWEs(nollgap-konfigurationer och icke-porösa membran). Intressant, till skillnad frånPEMWEs, som uteslutande använder polymerelektrolyter, mångaAEMWEsanvänder även flytande elektrolyter (såsom KOH- eller K2CO3-lösningar).
Nya modelleringsstudier tyder på att tillsats av flytande elektrolyt inte bara minskarohmskt motståndav membranet och katalysatorskiktet men förbättrar också reaktionskinetiken. Genom att tillsätta flytande elektrolyt till cellen ökar det lokala pH-värdet vid gränsytan mellan katalysator och elektrolyt, vilket skapar en ytterligare elektrokemisk gränsyta. IndustriellAEMWEsmednickelbaserade katalysatoreri 1 M KOH-lösning producerar väte vid en spänning på 2 V och en strömtäthet på 1,8 A/cm², vilket ger prestanda jämförbar med konventionellaPEMWEsvid atmosfärstryck. På grund av den låga kostnaden förkatalysatoreroch hårdvara, såväl som tillämplig nollgap-konfiguration och differentialtrycksdrift,AEMWEsfår ett ökat intresse för väteproduktion.
Hållbarhetsutmaningar för AEM-elektrolysörer
Den primära tekniska utmaningenAEMWEs(Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers) i kommersiellt gångbara system är derasvaraktighet. Hållbarhet iAEMWEshänvisar i allmänhet till enhetens livslängd. Under de tidiga stadierna avLåt oss gå upputveckling var det relativt enkelt att mäta hållbarhet eftersom cellens livslängd var kortare (mindre än 500 timmar). Dock som mer hållbaraAEMWEsär utvecklade, har det blivit mer komplicerat att mäta deras livslängd.
Det är viktigt att notera att det tar mer än ett år att köra en cell i över 10 000 timmar. Därför hållbarheten avAEMWEsbedöms vanligtvis genom att mäta spänningsförändringshastigheten i långtidstester (100-1000 timmar) eller genom att använda accelererade stresstester (AST) under accelererade nedbrytningsförhållanden (som högre driftstemperaturer och höga strömtätheter). Det bör dock noteras att långtidstester som använder spänningsförändringshastigheter och livslängdstester under AST-förhållanden kanske inte exakt förutsäger hållbarheten hosAEMWEs, eftersom cellens livslängd påverkas av flera nedbrytningslägen och ofta begränsas av katastrofala misslyckanden. Det är således fortfarande nödvändigt att köra cellen kontinuerligt under normala driftsförhållanden för att erhålla dess verkliga livslängd.
Även om stacklivslängden för kommersiellavattenelektrolysatorer med protonbytesmembran (PEMWE)är nära 20 000 till 60 000 timmar, den rapporterade livslängden för de flestaAEMWEsär cirka 3 000 timmar. Dessutom de flestaAEMWEstestas under atmosfärstryck.
