Електроліз є найважливішим компонентом вартості екологічного водню і нещодавно група фахівців з кореї повідомила, що що домоглася великого прогресу, створивши аніонообмінну мембрану, яка не тільки набагато економічніше існуючих протонообмінних технологій, але і приблизно на 20% ефективніше.
Електроліз-це фізико-хімічний процес розщеплення води на водень і кисень, і при використанні поновлюваних джерел енергії він стає ключовим кроком у виробництві чистого водню. Виробництво зеленого водню дозволить зіграти значну роль в боротьбі за нульові викиди, пропонуючи високу щільність енергії, що робить його оптимальним варіантом для багатьох важко піддаються декарбонізації видів діяльності, де використання акумуляторів просто не має сенсу.
Як правило, в електролізерах використовуються протонообмінні мембрани (пем), при цьому анод і катод в електроліті розділені між собою мембранами, що дозволяють пропустити позитивно заряджені іони водню, що притягуються катодом. Далі вони взаємодіють з електронами, утворюючи газоподібний водень.
Проблема полягає в тому, для кислого середовища протонообмінних мембран зазвичай використовуються дорогі метали: платина, рутеній або іридій, а в сепараторних пластинах застосовується титан.
У зв’язку з цим корейські вчені запропонували альтернативну технологію електролізу – аніонообмінні мембрани (aem), в яких сепараторна мембрана пропускає негативно заряджені іони гідроксильної групи. Вони притягуються до анода, де взаємодіють з молекулами кисню і води, а атоми водню притягуються до катода, де його і збирають у вигляді газу h2.
Аніонообмінні мембрани функціонують в лужному середовищі, тому для їх виготовлення не потрібні благородні метали, що дозволяє знизити вартість використовуваних матеріалів приблизно в 3000 разів. Але поки технологія aem не досить добре відпрацьована і термін служби її відносно невеликий.
Днями команда фахівців з корейського інституту науки і технології (kist) заявила, що провела випробування нової мембрани і електродів, які перевершують попередні аем по ефективності в шість, а за терміном служби – як мінімум в 10 разів. Більш того, вона навіть має 20-відсоткову перевагу в продуктивності перед сучасними протонообмінними мембранами.
“дослідницька група розробила аніонообмінні матеріали (pfap) з високою іонною провідністю і тривалим терміном служби в лужних середовищах шляхом збільшення питомої площі поверхні”, – йдеться в прес-релізі. “розроблений матеріал продемонстрував чудові показники довговічності-більше 1000 год роботи – і досяг рекордної продуктивності осередку-7,67 ампер / см2. Це приблизно в шість разів перевищує продуктивність існуючих аніонообмінних матеріалів і в 1,2 рази перевершує показники дорогої технології pemwe (6 ампер/см2)”.
Так наскільки ж ця технологія може знизити ціну на екологічно чистий водень? важко знайти однозначні відповіді; ціни на” зелену ” енергію можуть сильно коливатися в різних регіонах, і існує безліч різних технологій пем, які теж сильно розрізняються за ціною.
Міжнародне агентство з відновлюваних джерел енергії (irena) у звіті про зниження вартості зеленого водню в 2020 році наводить середні показники. У доповіді говориться, що в мегаваттном масштабі “в процесі створення каталізатора мембрани, рідкісні метали складають основну частину вартості. Але, в цілому, вони становлять менше 10 відсотків від загальної вартості всієї системи електролізу на базі pem технології”.
Крім того, у звіті зазначається, що термін служби електролізерів які використовують протонообмінні мембрани зазвичай становить близько 50 000 годин – або 5,7 років. І хоча корейським вченим вдалося значно просунутися в своїй розробці і збільшити термін служби нових мембран в 10 разів, в порівнянні зі 100-годинними електролізерами aem, нової технології поки далеко до того, щоб зрівнятися по довговічності з сучасними pem-електролізерами. І навіть якщо вони створять матеріал з такими характеристиками, буде потрібно не менше п’яти років, щоб довести ефективність його роботи в дослідній експлуатації.
Проте, новий мембранний матеріал може знайти і інше застосування.
“розроблений матеріал, – каже професор янг му лі з університету ханьянг, – має великий потенціал для застосування в якості основного елемента не тільки для електролізу води, але і для водневих паливних елементів, в процесі утилізації вуглецю і прямого використання в аміачних паливних елементах, які є наступним поколінням водневої промисловості”.
Дослідження опубліковано в журналі energy&environmental science.
