Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα γιαηλεκτρολύτες νερού υψηλής απόδοσης και χαμηλού κόστουςέχει κερδίσει ευρεία προσοχή, καθώς η μεγάλης κλίμακας παραγωγή και χρήση υδρογόνου είναι ζωτικής σημασίας για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας των συστημάτων παραγωγής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Επί του παρόντος, η πιο κοινή μέθοδος παραγωγής υδρογόνου είναι μέσω της αναμόρφωσης με ατμό μεθανίου ή άλλων υδρογονανθράκων, αλλά αυτή η διαδικασία δημιουργεί σημαντικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Επομένως,ηλεκτρολύτες νερούπου παράγουν υδρογόνο και οξυγόνο μέσωηλεκτροχημική διάσπαση νερούέχουν γίνει ερευνητικό hotspot.
Υπό συνθήκες λειτουργίας υψηλής θερμοκρασίας (700–950°C),Ηλεκτρολυτές ατμού στερεού οξειδίου (SOECs)έχουν αναπτυχθεί και επαληθευτεί σε εργαστηριακή και πιλοτική κλίμακα (βλ. Εικόνα 1). Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας τουSOECsτους επιτρέπει να λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές τάσεις κυψέλης χωρίς σχεδόν καθόλου κινητικούς περιορισμούς, επιτυγχάνοντας σχεδόν το 100%απόδοση ηλεκτρόλυσης υψηλής θερμικής αξίας (HHV).σε πυκνότητα ρεύματος περίπου 1 A/εκ². Ωστόσο, η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες φέρνει επίσης πολλές προκλήσεις, όπως μεγάλους χρόνους εκκίνησης και διακοπής λειτουργίας, ταχεία υποβάθμιση λόγω διάχυσης υψηλών θερμοκρασιών των συστατικών στοιχείων κυψέλης και δηλητηρίαση που προκαλείται από προϊόντα διάβρωσης.SOECsαντιμετωπίζουν δυσκολίες στην ανάπτυξη της αγοράς.
Ζητήματα με αλκαλικά καιΗλεκτρολυτές PEM
Ηλεκτρολυτές νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMWEs) χρησιμοποιώμεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων (PEM)και ιονομερή στα ηλεκτρόδια, επιτρέποντας τη λειτουργία χωρίς την κυκλοφορία υγρών ηλεκτρολυτών. Σε αυτή τη διαμόρφωση, τόσο η άνοδος όσο και η κάθοδος βρίσκονται σε άμεση επαφή με το μη πορώδεςPEM, σχηματίζοντας μια συμπαγή διάταξη κυψελών (σχεδιασμός μηδενικού κενού) (βλ. Εικόνα 3). Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπειPEMWEsνα λειτουργεί σε πυκνότητες ρεύματος περίπου 2 A/εκ².
Επιπλέον, η μη πορώδης μεμβράνη σεPEMWEsυποστηρίζειλειτουργία διαφορικής πίεσης, επιτρέποντας την παραγωγή υδρογόνου υψηλής πίεσης στην κάθοδο και την παραγωγή οξυγόνου ατμοσφαιρικής πίεσης στην άνοδο. Αυτό μειώνει την ανάγκη για δευτερεύουσα μηχανική συμπίεση για αποθήκευση υδρογόνου. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, το υψηλό κόστος τουηλεκτροκαταλύτες(όπως το οξείδιο του ιριδίου και η πλατίνα) και οι ανθεκτικοί στη διάβρωση συλλέκτες ρεύματος και οι διπολικές πλάκες που χρησιμοποιούνται σε όξινα περιβάλλοντα, μπορεί να γίνουν περιοριστικοί παράγοντες για συστήματα μεγάλης κλίμακας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα καθώς αυξάνεται το μέγεθος της στοίβας και αυτά τα εξαρτήματα συμβάλλουν σημαντικά στο συνολικό κόστος του συστήματος. Και οι δύοΔΕΟΣκαιPEMWEsθεωρούνται ώριμες τεχνολογίες και έχουν αναπτυχθεί εμπορικά με βάση συγκεκριμένες ανάγκες εφαρμογών.
Σε συνθήκες λειτουργίας χαμηλής θερμοκρασίας (κάτω από 100°C),ηλεκτρολύτες αλκαλικού νερού (ΔΕΟΣ)είναι μια ώριμη τεχνολογία.ΔΕΟΣχρησιμοποιήστε ένα υδατικό διάλυμα που περιέχειυδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ)ως υγρό ηλεκτρολύτη και είναι εξοπλισμένα μεπορώδεις διαχωριστικές μεμβράνες(βλ. Εικόνα 2). Έχει αναφερθεί εκτενής έρευνα για την ανάπτυξη τουηλεκτροκαταλύτες χωρίς μέταλλο ομάδας πλατίνας (PGM).για αντιδράσεις έκλυσης υδρογόνου και οξυγόνου (δηλ.αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (ΑΥΤΗΝ)καιαντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER)). Η τρέχουσα ερευνητική κατεύθυνση εστιάζει σε σχέδια όπως διαμορφώσεις μηδενικού κενού για την αύξηση της πυκνότητας ρεύματος ή της πίεσης λειτουργίας. Ωστόσο,ΔΕΟΣέχουν σχετικά χαμηλούς ρυθμούς παραγωγής υδρογόνου, συνήθως περίπου 200 mA/εκ² σε τάση κυψέλης 1,8 V.
Αρχές λειτουργίας ηλεκτρολύτη ΑΕΜ
Ηλεκτρολυτές νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEMWEs)λειτουργούν σε αλκαλικό περιβάλλον και μπορούν να χρησιμοποιηθούνκαταλύτες χωρίς μέταλλο ομάδας πλατίνας (PGM).. Ομεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (ΑΕΜ)είναι ένα μη πορώδες αγώγιμο πολυμερές οξειδίου του υδρογόνου με σταθερές θετικά φορτισμένες λειτουργικές ομάδες στις κύριες ή πλευρικές αλυσίδες του, επιτρέποντας διαμορφώσεις μηδενικού διακένου και λειτουργία διαφορικής πίεσης (βλ. Εικόνα 4).
Η συνολική αντίδραση σεAEMWEsπεριλαμβάνει την αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (ΑΥΤΗΝ) και την αντίδραση έκλυσης οξυγόνου (OER). Το νερό ή ο αλκαλικός υγρός ηλεκτρολύτης κυκλοφορεί μέσω της καθόδου, όπου το νερό ανάγεται σε ιόντα υδρογόνου και υδροξειδίου με την προσθήκη δύο ηλεκτρονίων (H2O + 2e-→ H2 + OH-). Τα ιόντα υδροξειδίου διαχέονται μέσω τουΑΕΜστην άνοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος στην κάθοδο. Στην άνοδο, τα ιόντα υδροξειδίου ανασυνδυάζονται για να σχηματίσουν οξυγόνο και νερό, δημιουργώντας δύο ηλεκτρόνια (2OH-→ ½O2 + H2O + 2e-). Τα αέρια υδρογόνου και οξυγόνου σχηματίζονται ως φυσαλίδες στις επιφάνειες του καταλύτη ΑΥΤΗΝ και OER. Παρόμοια μεPEMWEs, τομη πορώδης μεμβράνηδιαμόρφωση μηδενικού κενού τουAEMWEsεπιτρέπει την παραγωγή υδρογόνου υψηλής ταχύτητας και μειώνει την ανάγκη για μηχανική συμπίεση για αποθήκευση υδρογόνου.
Είναι αξιοσημείωτο ότιAEMWEsσυνδυάζουν τα πλεονεκτήματα τουΔΕΟΣ(καταλύτες χωρίς PGM) καιPEMWEs(διατάξεις μηδενικού κενού και μη πορώδεις μεμβράνες). Είναι ενδιαφέρον, σε αντίθεση μεPEMWEs, που χρησιμοποιούν αποκλειστικά πολυμερείς ηλεκτρολύτες, πολλάAEMWEsχρησιμοποιούν επίσης υγρούς ηλεκτρολύτες (όπως διαλύματα ΚΟΗ ή K2CO3).
Πρόσφατες μελέτες μοντελοποίησης υποδηλώνουν ότι η προσθήκη υγρού ηλεκτρολύτη όχι μόνο μειώνει τοωμική αντίστασητης μεμβράνης και του στρώματος του καταλύτη αλλά βελτιώνει και την κινητική της αντίδρασης. Με την προσθήκη υγρού ηλεκτρολύτη στο στοιχείο, το τοπικό pH στη διεπιφάνεια καταλύτη-ηλεκτρολύτη αυξάνεται, δημιουργώντας μια πρόσθετη ηλεκτροχημική διεπαφή. ΒιομηχανικόςAEMWEsμεκαταλύτες με βάση το νικέλιοσε διάλυμα ΚΟΗ 1 M παράγουν υδρογόνο με τάση 2 V και πυκνότητα ρεύματος 1,8 A/εκ², επιτυγχάνοντας απόδοση συγκρίσιμη με τα συμβατικάPEMWEsσε ατμοσφαιρική πίεση. Λόγω του χαμηλού κόστους τουκαταλύτεςκαι το υλικό, καθώς και την ισχύουσα διαμόρφωση μηδενικού κενού και λειτουργία διαφορικής πίεσης,AEMWEsκερδίζουν αυξημένο ενδιαφέρον για την παραγωγή υδρογόνου.
Προκλήσεις αντοχής των ηλεκτρολυτών ΑΕΜ
Η πρωταρχική τεχνική πρόκληση τουAEMWEs(Ανιόν Ανταλλαγή Μεμβράνη Νερό Ηλεκτρολυτές) σε εμπορικά βιώσιμα συστήματα είναι τουςαντοχή. Ανθεκτικότητα σεAEMWEsγενικά αναφέρεται στη διάρκεια ζωής της συσκευής. Κατά τα αρχικά στάδια τηςΑς σηκωθούμεανάπτυξη, η μέτρηση της ανθεκτικότητας ήταν σχετικά εύκολη καθώς η διάρκεια ζωής του κυττάρου ήταν μικρότερη (λιγότερο από 500 ώρες). Ωστόσο, ως πιο ανθεκτικόAEMWEsέχουν αναπτυχθεί, η μέτρηση της διάρκειας ζωής τους έχει γίνει πιο περίπλοκη.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η λειτουργία ενός κυττάρου για περισσότερες από 10.000 ώρες διαρκεί περισσότερο από ένα χρόνο. Ως εκ τούτου, η αντοχή τουAEMWEsτυπικά αξιολογείται με μέτρηση του ρυθμού αλλαγής τάσης σε μακροχρόνιες δοκιμές (100-1000 ώρες) ή με χρήση δοκιμών επιταχυνόμενης καταπόνησης (AST) υπό συνθήκες επιταχυνόμενης υποβάθμισης (όπως υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας και υψηλές πυκνότητες ρεύματος). Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι μακροχρόνιες δοκιμές που χρησιμοποιούν ρυθμούς αλλαγής τάσης και δοκιμές διάρκειας ζωής υπό συνθήκες AST ενδέχεται να μην προβλέψουν με ακρίβεια την ανθεκτικότητα τουAEMWEs, καθώς η διάρκεια ζωής των κυττάρων επηρεάζεται από πολλαπλούς τρόπους αποδόμησης και συχνά περιορίζεται από καταστροφική αποτυχία. Επομένως, παραμένει απαραίτητο να λειτουργεί η κυψέλη συνεχώς υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας για να επιτευχθεί η πραγματική διάρκεια ζωής της.
Αν και η διάρκεια ζωής στοίβας των εμπορικώνηλεκτρολύτες νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMWEs)είναι κοντά στις 20.000 έως 60.000 ώρες, η αναφερόμενη διάρκεια ζωής των περισσότερωνAEMWEsείναι περίπου 3.000 ώρες. Επιπλέον, τα περισσότεραAEMWEsδοκιμάζονται υπό συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης.
