V posledních letech výzkum navysoce účinné, levné vodní elektrolyzéryzískal širokou pozornost, protože výroba a využití vodíku ve velkém měřítku jsou zásadní pro zvýšení odolnosti systémů výroby a přenosu elektřiny z obnovitelných zdrojů. V současnosti je nejběžnější metodou výroby vodíku parní reformování metanu nebo jiných uhlovodíků, ale tento proces vytváří značné emise oxidu uhličitého. Proto,vodní elektrolyzérykteré generují vodík a kyslík prostřednictvímelektrochemické dělení vodyse staly aktivním bodem výzkumu.
Při vysokých teplotách (700–950 °C)parní elektrolyzéry s pevným oxidem (SOEC)byly vyvinuty a ověřeny v laboratorním a poloprovozním měřítku (viz obrázek 1). Vysoká provozní teplotaSOECumožňuje jim pracovat při relativně nízkém napětí článků téměř bez kinetických omezení, dosahují téměř 100 %účinnost elektrolýzy s vysokou výhřevností (HHV).při proudové hustotě asi 1 A/cm². Vysokoteplotní provoz však také přináší mnoho problémů, jako jsou dlouhé doby spouštění a vypínání, rychlá degradace v důsledku vysokoteplotní interdifúze součástí článku a otravy způsobené korozními produkty,SOECčelit potížím při zavádění na trh.
Problémy s alkalickými aPEM elektrolyzéry
Elektrolyzéry vody s protonovou výměnnou membránou (PEMWE) využítprotonové výměnné membrány (PEM)a ionomery v elektrodách, což umožňuje provoz bez cirkulujících kapalných elektrolytů. V této konfiguraci jsou jak anoda, tak katoda v přímém kontaktu s neporézním materiálemPEM, tvořící kompaktní uspořádání buněk (provedení s nulovou mezerou) (viz obrázek 3). Toto provedení umožňujePEMWEpracovat při proudových hustotách kolem 2 A/cm².
Dále neporézní membrána vPEMWEpodporujeprovoz diferenčního tlakuumožňující generování vysokotlakého vodíku na katodě a generování kyslíku za atmosférického tlaku na anodě. To snižuje potřebu sekundární mechanické komprese pro skladování vodíku. Navzdory těmto výhodám jsou vysoké nákladyelektrokatalyzátory(jako je oxid iridium a platina) a korozivzdorné kolektory proudu a bipolární desky používané v kyselém prostředí se mohou stát limitujícími faktory pro rozsáhlé systémy. To platí zejména s rostoucí velikostí zásobníku a tyto komponenty významně přispívají k celkovým nákladům na systém. OběAWEsaPEMWEjsou považovány za vyspělé technologie a byly komerčně nasazeny na základě specifických potřeb aplikací.
Při provozních podmínkách při nízké teplotě (pod 100 °C)elektrolyzéry alkalické vody (AWE)jsou vyspělou technologií.AWEspoužijte vodný roztok obsahujícíhydroxid draselný (KOH)jako kapalný elektrolyt a jsou vybavenyporézní separační membrány(viz obrázek 2). Byl popsán rozsáhlý výzkum vývojeelektrokatalyzátory bez platinových kovů (PGM).pro reakce vývoje vodíku a kyslíku (tj.reakce vývoje vodíku (HER)areakce vývoje kyslíku (OER)). Současný směr výzkumu se zaměřuje na návrhy, jako jsou konfigurace s nulovou mezerou pro zvýšení proudové hustoty nebo provozního tlaku. Však,AWEsmají relativně nízkou rychlost produkce vodíku, typicky kolem 200 mA/cm² při napětí článku 1,8 V.
Principy činnosti elektrolyzéru AEM
Aniontově výměnné membránové vodní elektrolyzéry (AEMWE)pracovat v alkalickém prostředí a lze je používatkatalyzátory bez kovů platinové skupiny (PGM).. Theaniontoměničová membrána (AEM)je neporézní vodivý polymer na bázi oxidu vodíku s pevnými kladně nabitými funkčními skupinami na svém hlavním nebo postranním řetězci, umožňující konfigurace s nulovou mezerou a provoz s diferenčním tlakem (viz obrázek 4).
Celková reakce vAEMWEzahrnuje reakci evoluce vodíku (HER) a reakci evoluce kyslíku (OER). Katodou cirkuluje voda nebo alkalický kapalný elektrolyt, kde se voda redukuje na vodíkové a hydroxidové ionty přidáním dvou elektronů (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Hydroxidové ionty difundují skrzAEMk anodě, zatímco elektrony jsou přenášeny vnějším obvodem ke katodě. Na anodě se hydroxidové ionty rekombinují za vzniku kyslíku a vody a generují dva elektrony (2OH⁻ → ½O₂ + H2O + 2e⁻). Plyny vodíku a kyslíku se tvoří jako bubliny na povrchu katalyzátoru HER a OER. Podobné jakoPEMWE,neporézní membránakonfigurace s nulovou mezerouAEMWEumožňuje vysokorychlostní výrobu vodíku a snižuje potřebu mechanické komprese pro skladování vodíku.
Je pozoruhodné, žeAEMWEspojit výhodyAWEs(katalyzátory bez PGM) aPEMWE(konfigurace s nulovou mezerou a neporézní membrány). Zajímavé, na rozdíl odPEMWE, které používají výhradně polymerní elektrolyty, mnohoAEMWEtaké používají kapalné elektrolyty (jako jsou roztoky KOH nebo K2CO3).
Nedávné modelové studie naznačují, že přidání kapalného elektrolytu nejen snižujeohmický odpormembrány a vrstvy katalyzátoru, ale také zlepšuje kinetiku reakce. Přidáním kapalného elektrolytu do článku se zvýší místní pH na rozhraní katalyzátor-elektrolyt, čímž se vytvoří další elektrochemické rozhraní. PrůmyslovýAEMWEskatalyzátory na bázi nikluv 1M roztoku KOH produkují vodík při napětí 2 V a proudové hustotě 1,8 A/cm², čímž dosahují výkonu srovnatelného s konvenčnímiPEMWEpři atmosférickém tlaku. Vzhledem k nízkým nákladůmkatalyzátorya hardware, stejně jako použitelná konfigurace nulové mezery a provoz s diferenčním tlakem,AEMWEzískávají zvýšený zájem o výrobu vodíku.
Výzvy odolnosti elektrolyzérů AEM
Primární technická výzvaAEMWE(Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers) v komerčně životaschopných systémech je jejichtrvanlivost. Trvanlivost vAEMWEobecně označuje životnost zařízení. Během raných fázíPojďme vstátPři vývoji bylo měření trvanlivosti relativně snadné, protože životnost článků byla kratší (méně než 500 hodin). Nicméně jako odolnějšíAEMWEjsou vyvinuty, měření jejich životnosti se zkomplikovalo.
Je důležité si uvědomit, že provoz buňky na více než 10 000 hodin trvá déle než rok. Proto trvanlivostAEMWEse typicky posuzuje měřením rychlosti změny napětí v dlouhodobých testech (100-1000 hodin) nebo pomocí zrychlených zátěžových testů (AST) za podmínek zrychlené degradace (jako jsou vyšší provozní teploty a vysoké proudové hustoty). Je však třeba poznamenat, že dlouhodobé testy využívající rychlosti změny napětí a testy životnosti za podmínek AST nemusí přesně předpovědět trvanlivostAEMWE, protože životnost buněk je ovlivněna více způsoby degradace a je často omezena katastrofickým selháním. Zůstává tedy nutné provozovat článek nepřetržitě za normálních provozních podmínek, aby se dosáhlo jeho skutečné životnosti.
I když životnost zásobníku komerčníelektrolyzéry vody s protonovou výměnnou membránou (PEMWE)se blíží 20 000 až 60 000 hodinám, což je uváděná životnost většinyAEMWEje kolem 3000 hodin. Navíc většinaAEMWEjsou testovány za podmínek atmosférického tlaku.
