Avances y análisis económico de la hidroelectrólisis con membrana de intercambio iónico (AEM) para la producción de hidrógeno

AEM es hasta cierto punto un híbrido de PEM y la electrólisis de lejía basada en diafragma tradicional. El principio de la celda electrolítica AEM se muestra en la Figura 3. En el cátodo, el agua se reduce para producir hidrógeno y OH -. OH: fluye a través del diafragma hacia el ánodo, donde se recombina para producir oxígeno.

Li et al. [1-2] estudió un electrolizador de agua de alto rendimiento AEM de poliestireno y polifenileno altamente cuaternizado y los resultados mostraron que la densidad de corriente era de 2,7 A/cm2 a 85 °C con un voltaje de 1,8 V. Al usar NiFe y PtRu/C como catalizadores para la producción de hidrógeno, la densidad de corriente disminuyó significativamente a 906 mA/cm2. Chen et al. [5] estudió la aplicación de catalizadores electrolíticos de metales no nobles de alta eficiencia en electrolizadores de película de polímero alcalino. Los óxidos de NiMo se redujeron con gases H2/NH3, NH3, H2 y N2 a diferentes temperaturas para sintetizar catalizadores electrolíticos de producción de hidrógeno. Los resultados muestran que el catalizador NiMo-NH3/H2 con reducción de H2/NH3 tiene el mejor rendimiento, con una densidad de corriente de hasta 1,0 A/cm2 y una eficiencia de conversión de energía del 75 % a 1,57 V y 80 °C. Evonik Industries, basándose en su tecnología existente de membranas de separación de gases, ha desarrollado un material polimérico patentado para su uso en celdas electrolíticas AEM y actualmente está ampliando la producción de membranas en una línea piloto. El siguiente paso es verificar la confiabilidad del sistema y mejorar las especificaciones de la batería, mientras aumenta la producción.

En la actualidad, los principales desafíos que enfrentan las celdas electrolíticas AEM son la falta de alta conductividad y resistencia alcalina de AEM, y el electrocatalizador de metales preciosos aumenta el costo de fabricación de dispositivos electrolíticos. Al mismo tiempo, el CO2 que ingresa a la película de la celda reducirá la resistencia de la película y la resistencia del electrodo, lo que reducirá el rendimiento electrolítico. La dirección de desarrollo futuro del electrolizador AEM es la siguiente: 1. Desarrollar AEM con alta conductividad, selectividad iónica y estabilidad alcalina a largo plazo. 2. Supere el problema del alto costo del catalizador de metales preciosos, desarrolle un catalizador sin metales preciosos y de alto rendimiento. 3. Actualmente, el costo objetivo del electrolizador AEM es de $ 20 / m2, que debe reducirse mediante materias primas baratas y pasos de síntesis reducidos, para reducir el costo general del electrolizador AEM. 4. Reducir el contenido de CO2 en la celda electrolítica y mejorar el rendimiento electrolítico.

[1] Liu L, Kohl P A. Copolímeros multibloque conductores de aniones con diferentes cationes anclados [J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Ionómeros de poliestireno altamente cuaternizados para electrolizadores de agua de membrana de intercambio aniónico de alto rendimiento [J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 -- 385.