Tiến độ và phân tích kinh tế của quá trình thủy phân màng trao đổi ion (AEM) để sản xuất hydro

AEM ở một mức độ nào đó là sự kết hợp giữa PEM và điện phân dung dịch kiềm dựa trên màng ngăn truyền thống. Nguyên lý của tế bào điện phân AEM được thể hiện trong Hình 3. Ở cực âm, nước bị khử để tạo ra hydro và OH -. OH -- chảy qua màng ngăn đến cực dương, nơi nó kết hợp lại để tạo ra oxy.

Lý và cộng sự. [1-2] đã nghiên cứu máy điện phân nước hiệu suất cao polystyrene và polyphenylene AEM bậc bốn, và kết quả cho thấy mật độ dòng điện là 2,7A/cm2 ở 85°C ở điện áp 1,8V. Khi sử dụng NiFe và PtRu/C làm chất xúc tác cho quá trình sản xuất hydro, mật độ dòng điện giảm đáng kể xuống còn 906mA/cm2. Chen và cộng sự. [5] đã nghiên cứu ứng dụng chất xúc tác điện phân kim loại phi kim loại quý hiệu suất cao trong máy điện phân màng polymer kiềm. Các oxit NiMo được khử bằng các khí H2/NH3, NH3, H2 và N2 ở các nhiệt độ khác nhau để tổng hợp xúc tác sản xuất hydro điện phân. Kết quả cho thấy xúc tác NiMo-NH3/H2 khử H2/NH3 cho hiệu suất tốt nhất, với mật độ dòng điện lên tới 1,0A/cm2 và hiệu suất chuyển hóa năng lượng đạt 75% ở 1,57V và 80°C. Evonik Industries, dựa trên công nghệ màng tách khí hiện có, đã phát triển một vật liệu polyme được cấp bằng sáng chế để sử dụng trong các tế bào điện phân AEM và hiện đang mở rộng sản xuất màng trên dây chuyền thí điểm. Bước tiếp theo là xác minh độ tin cậy của hệ thống và cải thiện thông số kỹ thuật của pin, đồng thời mở rộng quy mô sản xuất.

Hiện tại, những thách thức chính mà các tế bào điện phân AEM phải đối mặt là thiếu tính dẫn điện cao và khả năng chống kiềm của AEM, đồng thời chất xúc tác điện phân kim loại quý làm tăng chi phí sản xuất các thiết bị điện phân. Đồng thời, CO2 đi vào màng tế bào sẽ làm giảm điện trở của màng và điện trở của điện cực, do đó làm giảm hiệu suất điện phân. Hướng phát triển trong tương lai của máy điện phân AEM như sau: 1. Phát triển AEM có độ dẫn điện cao, chọn lọc ion và ổn định kiềm lâu dài. 2. Khắc phục vấn đề chi phí cao của chất xúc tác kim loại quý, phát triển chất xúc tác không có kim loại quý và hiệu suất cao. 3. Hiện tại, chi phí mục tiêu của máy điện phân AEM là 20 đô la/m2, chi phí này cần được giảm thông qua nguyên liệu thô rẻ và giảm các bước tổng hợp, để giảm chi phí tổng thể của máy điện phân AEM. 4. Giảm hàm lượng CO2 trong tế bào điện phân và cải thiện hiệu suất điện phân.

[1] Liu L,Kohl P A. Anion dẫn copolyme đa khối với các cation liên kết khác nhau[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Các ionomer polystyrene bậc bốn cao dành cho máy điện phân nước màng trao đổi anion hiệu suất cao[J]. Năng lượng Thiên nhiên, 2020, 5: 378 -- 385.