De laatste jaren is er onderzoek gedaan naarwaterelektrolysers met een hoog rendement en lage kostenheeft brede aandacht gekregen, aangezien grootschalige waterstofproductie en -gebruik cruciaal zijn voor het verbeteren van de veerkracht van hernieuwbare elektriciteitsopwekking en transmissiesystemen. Momenteel is de meest voorkomende methode voor waterstofproductie via stoomreforming van methaan of andere koolwaterstoffen, maar dit proces genereert aanzienlijke koolstofdioxide-emissies. Daarom,waterelektrolysersdie waterstof en zuurstof genereren viaelektrochemische watersplitsingzijn uitgegroeid tot een hotspot voor onderzoek.
Onder hoge bedrijfstemperaturen (700–950°C)Vaste oxide stoomelektrolysers (SOEC's)zijn ontwikkeld en geverifieerd op laboratorium- en pilotschaal (zie figuur 1). De hoge bedrijfstemperatuur vanSOEC'sstelt hen in staat om te werken bij relatief lage celspanningen met vrijwel geen kinetische beperkingen, waardoor ze bijna 100% bereikenhoge verwarmingswaarde (HHV) elektrolyse-efficiëntiebij een stroomdichtheid van ongeveer 1 A/cm². Hogetemperatuurwerking brengt echter ook veel uitdagingen met zich mee, zoals lange opstart- en uitschakeltijden, snelle degradatie door hogetemperatuurinterdiffusie van celcomponenten en vergiftiging door corrosieproducten, waardoorSOEC'smoeilijkheden ondervinden bij de marktintroductie.
Problemen met alkalische enPEM-elektrolysers
Protonuitwisselingsmembraanwaterelektrolysers (PEMWE's) gebruik maken vanprotonenuitwisselingsmembranen (PEM)en ionomeren in de elektroden, waardoor er gewerkt kan worden zonder circulerende vloeibare elektrolyten. In deze configuratie staan zowel de anode als de kathode in direct contact met de niet-poreuzePEM, waardoor een compacte celopstelling ontstaat (ontwerp met nul opening) (zie figuur 3). Dit ontwerp maakt het mogelijkPEMWE'swerken bij stroomdichtheden van ongeveer 2 A/cm².
Bovendien is het niet-poreuze membraan inPEMWE'sondersteuntdifferentiële drukwerking, waardoor waterstofgeneratie onder hoge druk bij de kathode en zuurstofgeneratie onder atmosferische druk bij de anode mogelijk wordt. Dit vermindert de behoefte aan secundaire mechanische compressie voor waterstofopslag. Ondanks deze voordelen zijn de hoge kosten vanelektrokatalysatoren(zoals iridiumoxide en platina) en corrosiebestendige stroomcollectoren en bipolaire platen die in zure omgevingen worden gebruikt, kunnen beperkende factoren worden voor grootschalige systemen. Dit geldt met name naarmate de stapelgrootte toeneemt en deze componenten aanzienlijk bijdragen aan de totale systeemkosten. BeideAWE'sEnPEMWE'sworden beschouwd als volwassen technologieën en zijn commercieel ingezet op basis van specifieke toepassingsbehoeften.
Bij lage bedrijfstemperaturen (onder 100°C)Alkalische waterelektrolysers (AWE's)zijn een volwassen technologie.AWE'sgebruik een waterige oplossing die bevatkaliumhydroxide (KOH)als de vloeibare elektrolyt en zijn uitgerust metporeuze scheidingsmembranen(zie figuur 2). Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar de ontwikkeling vanelektrokatalysatoren zonder platinagroepmetaal (PGM)voor waterstof- en zuurstofontwikkelingsreacties (d.w.z.waterstof evolutie reactie (HER)Enzuurstofontwikkelingsreactie (OER)). De huidige onderzoeksrichting richt zich op ontwerpen zoals zero-gap-configuraties om de stroomdichtheid of werkdruk te verhogen. Echter,AWE'shebben een relatief lage waterstofproductiesnelheid, doorgaans rond de 200 mA/cm² bij een celspanning van 1,8 V.
Werkingsprincipes van de AEM-elektrolyzer
Anionenuitwisselingsmembraanwaterelektrolysers (AEMWE's)werken in een alkalische omgeving en kunnen gebruikenKatalysatoren zonder platinagroepmetaal (PGM). Deanionenuitwisselingsmembraan (AEM)is een niet-poreus waterstofoxide geleidend polymeer met vaste positief geladen functionele groepen op de hoofd- of zijketens, waardoor configuraties zonder tussenruimte en werking bij differentiële druk mogelijk zijn (zie Afbeelding 4).
De algemene reactie inAEMWE'somvat de waterstofevolutiereactie (HER) en zuurstofevolutiereactie (OER). Water of alkalische vloeibare elektrolyt circuleert door de kathode, waar water wordt gereduceerd tot waterstof- en hydroxide-ionen door twee elektronen toe te voegen (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). De hydroxide-ionen diffunderen door deAEMnaar de anode, terwijl elektronen via het externe circuit naar de kathode worden overgebracht. Bij de anode recombineren hydroxide-ionen om zuurstof en water te vormen, waarbij twee elektronen worden gegenereerd (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Waterstof- en zuurstofgassen vormen zich als bellen aan de HER- en OER-katalysatoroppervlakken. Vergelijkbaar metPEMWE's, deniet-poreus membraannul-gap configuratie vanAEMWE'smaakt snelle waterstofproductie mogelijk en vermindert de noodzaak van mechanische compressie voor waterstofopslag.
Het is opmerkelijk datAEMWE'scombineer de voordelen vanAWE's(PGM-vrije katalysatoren) enPEMWE's(configuraties met nul openingen en niet-poreuze membranen). Interessant genoeg, in tegenstelling totPEMWE's, die uitsluitend polymeerelektrolyten gebruiken, veelAEMWE'smaken ook gebruik van vloeibare elektrolyten (zoals KOH- of K₂CO₃-oplossingen).
Uit recente modelstudies blijkt dat het toevoegen van vloeibare elektrolyt niet alleen deohmse weerstandvan het membraan en de katalysatorlaag, maar verbetert ook de reactiekinetiek. Door vloeibare elektrolyt aan de cel toe te voegen, neemt de lokale pH bij de katalysator-elektrolytinterface toe, waardoor een extra elektrochemische interface ontstaat. IndustrieelAEMWE'smetkatalysatoren op basis van nikkelin 1 M KOH-oplossing waterstof produceren bij een spanning van 2 V en een stroomdichtheid van 1,8 A/cm², waarmee prestaties worden bereikt die vergelijkbaar zijn met conventionelePEMWE'sbij atmosferische druk. Vanwege de lage kosten vankatalysatorenen hardware, evenals de toepasselijke nul-spleetconfiguratie en differentiële drukwerking,AEMWE'skrijgen steeds meer belangstelling voor waterstofproductie.
Duurzaamheidsuitdagingen van AEM-elektrolyzers
De belangrijkste technische uitdaging vanAEMWE's(Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers) in commercieel levensvatbare systemen is hunduurzaamheid. Duurzaamheid inAEMWE'sverwijst over het algemeen naar de levensduur van het apparaat. Tijdens de vroege stadia vanLaten we opstaanontwikkeling, het meten van de duurzaamheid was relatief eenvoudig omdat de levensduur van de cel korter was (minder dan 500 uur). Echter, naarmate de levensduur van de cel duurzamer was,AEMWE'sontwikkeld zijn, is het meten van hun levensduur ingewikkelder geworden.
Het is belangrijk om op te merken dat het meer dan een jaar duurt om een cel meer dan 10.000 uur te laten draaien. Daarom is de duurzaamheid vanAEMWE'swordt doorgaans beoordeeld door de spanningsveranderingssnelheid te meten in langetermijntests (100-1000 uur) of door versnelde stresstests (AST) te gebruiken onder versnelde degradatieomstandigheden (zoals hogere bedrijfstemperaturen en hoge stroomdichtheden). Er moet echter worden opgemerkt dat langetermijntests met spanningsveranderingssnelheden en levensduurtests onder AST-omstandigheden de duurzaamheid vanAEMWE's, aangezien de levensduur van de cel wordt beïnvloed door meerdere degradatiemodi en vaak wordt beperkt door catastrofale storingen. Daarom blijft het noodzakelijk om de cel continu onder normale bedrijfsomstandigheden te laten draaien om zijn werkelijke levensduur te verkrijgen.
Hoewel de levensduur van de stapel van commerciëleprotonenuitwisselingsmembraanwaterelektrolyzers (PEMWE's)ligt dicht bij de 20.000 tot 60.000 uur, de gerapporteerde levensduur van de meesteAEMWE'sis ongeveer 3.000 uur. Verder zijn de meesteAEMWE'sworden getest onder atmosferische drukomstandigheden.
