Электролиз является важнейшим компонентом стоимости экологичного водорода и недавно группа специалистов из Кореи сообщила, что что добилась крупного прогресса, создав анионообменную мембрану, которая не только намного экономичнее существующих протонообменных технологий, но и примерно на 20% эффективнее.

Электролиз - это  физико-химический процесс расщепления воды на водород и кислород, и при использовании возобновляемых источников энергии он становится ключевым шагом в производстве чистого водорода. Производство зеленого водорода позволит сыграть значительную роль в борьбе за нулевые выбросы, предлагая высокую плотность энергии, что делает его оптимальным вариантом для многих трудно поддающихся декарбонизации видов деятельности, где использование аккумуляторов просто не имеет смысла.

Как правило, в электролизерах используются протонообменные мембраны (ПЭМ), при этом анод и катод в электролите разделены между собой мембранами, позволяющими пропустить положительно заряженные ионы водорода, притягиваемые катодом. Далее они взаимодействуют с электронами, образуя газообразный водород.

Принципиальная схема АЭМЭ безводного катода и химическая структура АЭМ ПФАП и иономеров.

 

Проблема заключается в том, для кислой среды протонообменных мембран обычно используются дорогие металлы: платина, рутений или иридий, а в сепараторных пластинах применяется  титан.

В связи с этим корейские ученые предложили альтернативную технологию электролиза - анионообменные мембраны (AEM), в которых сепараторная мембрана пропускает отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы. Они притягиваются к аноду, где взаимодействуют с молекулами кислорода и воды, а атомы водорода притягиваются к катоду, где его и собирают в виде газа H2.

Анионообменные мембраны функционируют в щелочной среде, поэтому для их изготовления не требуются благородные металлы, что позволяет снизить стоимость используемых материалов примерно в 3000 раз.  Но пока технология AEM не достаточно хорошо отработана и срок службы её относительно невелик.

На днях команда специалистов из Корейского института науки и технологии (KIST) заявила, что провела испытания новой мембраны и электродов, которые превосходят предыдущие АЭМ по эффективности в шесть, а по сроку службы - как минимум в 10 раз.  Более того, она даже имеет 20-процентное преимущество в производительности перед современными протонообменными мембранами.

Новая электролизная мембрана AEM, разработанная в Корее, обещает снизить стоимость, увеличить производительность и по крайней мере в 10 раз повысить долговечность по сравнению с предыдущими технологиями.

 

"Исследовательская группа разработала анионообменные материалы (PFAP) с высокой ионной проводимостью и длительным сроком службы в щелочных средах путем увеличения удельной площади поверхности", - говорится в пресс-релизе. "Разработанный материал продемонстрировал превосходные показатели долговечности - более 1000 ч работы - и достиг рекордной производительности ячейки - 7,67 Ампер/см2. Это примерно в шесть раз превышает производительность существующих анионообменных материалов и в 1,2 раза превосходит показатели  дорогостоящей технологии PEMWE (6 Ампер/см2)".

Так насколько же эта технология может снизить цену на экологически чистый водород? Трудно найти однозначные ответы; цены на "зеленую" энергию могут сильно колебаться в разных регионах, и существует множество различных технологий ПЭМ, которые тоже сильно различаются по цене.

Международное агентство по возобновля

Данные IRENA по себестоимости электролизеров с протонообменными мембранами показывают, что использование редких металлов не связано с большими затратами. IRENA

 

емым источникам энергии (IRENA) в отчете о снижении стоимости зеленого водорода в 2020 году приводит средние показатели. В докладе говорится, что в мегаваттном масштабе "В процессе создания катализатора мембраны, редкие металлы составляют основную часть стоимости. Но, в целом, они составляют менее 10 процентов от общей стоимости всей системы электролиза на базе PEM технологии". 

Кроме того, в отчете отмечается, что срок службы электролизеров используюших протонообменные мембраны обычно составляет около 50 000 часов - или 5,7 лет. И хотя корейским учёным удалось значительно продвинуться в своей разработке и увеличить срок службы новых мембран в 10 раз, по сравнению со 100-часовыми электролизерами AEM, новой технологии пока далеко до того, чтобы сравниться по долговечности с современными PEM-электролизерами. И даже если они создадут материал с такими характеристиками, потребуется не менее пяти лет, чтобы доказать эффективность его работы в опытной эксплуатации.

Тем не менее, новый мембранный материал может найти и другое применение.

"Разработанный материал, - говорит профессор Янг Му Ли из университета Ханьянг, - имеет большой потенциал для применения в качестве основного элемента не только для электролиза воды, но и для водородных топливных элементов, в процессе утилизации углерода и прямого использования в аммиачных топливных элементах, которые являются следующим поколением водородной промышленности".

Исследование опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.

Источники: KIST и Национальный исследовательский совет по науке и технике Южной Кореи по материалам EurekAler
https://www.nst.re.kr/nst_en/
https://www.kist.re.kr/kist_web/main/
https://www.eurekalert.org/news-releases/941661
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D1EE02642A