Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan mengenaielektrolisis air berkecekapan tinggi dan kos rendahtelah mendapat perhatian meluas, kerana pengeluaran dan penggunaan hidrogen berskala besar adalah penting untuk meningkatkan daya tahan sistem penjanaan dan penghantaran elektrik boleh diperbaharui. Pada masa ini, kaedah pengeluaran hidrogen yang paling biasa adalah melalui pembentukan semula wap metana atau hidrokarbon lain, tetapi proses ini menghasilkan pelepasan karbon dioksida yang ketara. Oleh itu,elektrolisis airyang menjana hidrogen dan oksigen melaluipemisahan air elektrokimiatelah menjadi tempat tumpuan penyelidikan.
Di bawah keadaan operasi suhu tinggi (700–950°C),elektrolisis wap oksida pepejal (SOECs)telah dibangunkan dan disahkan pada skala makmal dan perintis (lihat Rajah 1). Suhu operasi yang tinggi bagiSOECmembolehkan mereka beroperasi pada voltan sel yang agak rendah dengan hampir tiada had kinetik, mencapai hampir 100%kecekapan elektrolisis nilai pemanasan tinggi (HHV).pada ketumpatan arus kira-kira 1 A/cm². Walau bagaimanapun, operasi suhu tinggi juga membawa banyak cabaran, seperti masa permulaan dan penutupan yang panjang, kemerosotan pesat akibat interdifusi suhu tinggi komponen sel, dan keracunan yang disebabkan oleh produk kakisan, menjadikanSOECmenghadapi kesukaran dalam penggunaan pasaran.
Isu dengan Alkali danElektroliser PEM
Elektrolisis air membran pertukaran proton (PEMWEs) memanfaatkanmembran pertukaran proton (PEM)dan ionomer dalam elektrod, membenarkan operasi tanpa mengedarkan elektrolit cecair. Dalam konfigurasi ini, kedua-dua anod dan katod bersentuhan langsung dengan tidak berliangPEM, membentuk susunan sel padat (reka bentuk jurang sifar) (lihat Rajah 3). Reka bentuk ini membolehkanPEMWEuntuk beroperasi pada ketumpatan semasa sekitar 2 A/cm².
Tambahan pula, membran tidak berliang dalamPEMWEmenyokongoperasi tekanan pembezaan, membolehkan penjanaan hidrogen tekanan tinggi di katod dan penjanaan oksigen tekanan atmosfera di anod. Ini mengurangkan keperluan untuk pemampatan mekanikal sekunder untuk penyimpanan hidrogen. Walaupun kelebihan ini, kos yang tinggipemangkin elektrik(seperti iridium oksida dan platinum), dan pengumpul arus tahan kakisan dan plat bipolar yang digunakan dalam persekitaran berasid, boleh menjadi faktor pengehad untuk sistem berskala besar. Ini benar terutamanya apabila saiz tindanan meningkat, dan komponen ini menyumbang dengan ketara kepada kos keseluruhan sistem. Kedua-duanyaAWEdanPEMWEdianggap sebagai teknologi matang dan telah digunakan secara komersial berdasarkan keperluan aplikasi tertentu.
Pada keadaan operasi suhu rendah (di bawah 100°C),elektrolisis air beralkali (AWES)adalah teknologi yang matang.AWEgunakan larutan akueus yang mengandungikalium hidroksida (KOH)sebagai elektrolit cecair dan dilengkapi denganmembran pemisah berliang(lihat Rajah 2). Penyelidikan meluas telah dilaporkan mengenai pembangunanelektromangkin bebas logam kumpulan platinum (PGM).untuk tindak balas evolusi hidrogen dan oksigen (iaitu,tindak balas evolusi hidrogen (HER)dantindak balas evolusi oksigen (OER)). Arah penyelidikan semasa memfokuskan pada reka bentuk seperti konfigurasi jurang sifar untuk meningkatkan ketumpatan semasa atau tekanan operasi. Walau bagaimanapun,AWEmempunyai kadar pengeluaran hidrogen yang agak rendah, biasanya sekitar 200 mA/cm² pada voltan sel 1.8 V.
Prinsip Operasi AEM Electrolyzer
Elektrolisis air membran pertukaran anion (AEMWEs)beroperasi dalam persekitaran alkali dan boleh digunakanpemangkin bebas logam kumpulan platinum (PGM).. Themembran pertukaran anion (AEM)ialah polimer konduktif hidrogen-oksida tidak berliang dengan kumpulan berfungsi bercas positif tetap pada rantai utama atau sisinya, membolehkan konfigurasi jurang sifar dan operasi tekanan pembezaan (lihat Rajah 4).
Reaksi keseluruhan dalamAEMWEmelibatkan tindak balas evolusi hidrogen (HER) dan tindak balas evolusi oksigen (OER). Air atau elektrolit cecair beralkali beredar melalui katod, di mana air dikurangkan kepada ion hidrogen dan hidroksida dengan menambahkan dua elektron (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Ion hidroksida meresap melaluiAEMke anod, manakala elektron dipindahkan melalui litar luar ke katod. Di anod, ion hidroksida bergabung semula untuk membentuk oksigen dan air, menghasilkan dua elektron (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Gas hidrogen dan oksigen terbentuk sebagai gelembung pada permukaan mangkin HER dan OER. Serupa denganPEMWE, yangmembran tidak berliangkonfigurasi jurang sifar bagiAEMWEmembolehkan pengeluaran hidrogen berkelajuan tinggi dan mengurangkan keperluan untuk pemampatan mekanikal untuk penyimpanan hidrogen.
Perlu diberi perhatian bahawaAEMWEmenggabungkan kelebihanAWE(pemangkin bebas PGM) danPEMWE(konfigurasi celah sifar dan membran tidak berliang). Menariknya, tidak sepertiPEMWE, yang secara eksklusif menggunakan elektrolit polimer, banyakAEMWEjuga menggunakan elektrolit cecair (seperti larutan KOH atau K₂CO₃).
Kajian pemodelan terkini mencadangkan bahawa menambah elektrolit cecair bukan sahaja mengurangkanrintangan ohmikmembran dan lapisan mangkin tetapi juga meningkatkan kinetik tindak balas. Dengan menambahkan elektrolit cecair ke dalam sel, pH tempatan pada antara muka pemangkin-elektrolit meningkat, mewujudkan antara muka elektrokimia tambahan. PerindustrianAEMWEdenganpemangkin berasaskan nikeldalam larutan KOH 1 M menghasilkan hidrogen pada voltan 2 V dan ketumpatan arus 1.8 A/cm², mencapai prestasi yang setanding dengan konvensionalPEMWEpada tekanan atmosfera. Oleh kerana kos yang rendahpemangkindan perkakasan, serta konfigurasi jurang sifar dan operasi tekanan pembezaan yang berkenaan,AEMWEsemakin meningkat minat dalam pengeluaran hidrogen.
Cabaran Ketahanan Elektrolis AEM
Cabaran teknikal utamaAEMWE(Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers) dalam sistem yang berdaya maju secara komersial adalah merekaketahanan. Ketahanan dalamAEMWEsecara amnya merujuk kepada jangka hayat peranti. Semasa peringkat awalJom bangunpembangunan, mengukur ketahanan adalah agak mudah kerana jangka hayat sel adalah lebih pendek (kurang daripada 500 jam). Walau bagaimanapun, sebagai lebih tahan lamaAEMWEdibangunkan, mengukur jangka hayat mereka menjadi lebih rumit.
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa menjalankan sel selama lebih 10,000 jam mengambil masa lebih daripada setahun. Oleh itu, ketahananAEMWEbiasanya dinilai dengan mengukur kadar perubahan voltan dalam ujian jangka panjang (100-1000 jam) atau dengan menggunakan ujian tegasan dipercepat (AST) di bawah keadaan degradasi dipercepatkan (seperti suhu operasi yang lebih tinggi dan ketumpatan arus yang tinggi). Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa ujian jangka panjang menggunakan kadar perubahan voltan dan ujian jangka hayat di bawah keadaan AST mungkin tidak meramalkan dengan tepat ketahananAEMWE, kerana jangka hayat sel dipengaruhi oleh pelbagai mod degradasi dan selalunya dihadkan oleh kegagalan bencana. Oleh itu, adalah perlu untuk menjalankan sel secara berterusan di bawah keadaan operasi biasa untuk mendapatkan jangka hayatnya yang sebenar.
Walaupun jangka hayat timbunan komersialelektrolisis air membran pertukaran proton (PEMWEs)adalah hampir 20,000 hingga 60,000 jam, jangka hayat yang paling banyak dilaporkanAEMWEadalah sekitar 3,000 jam. Tambahan pula, kebanyakanAEMWEdiuji di bawah keadaan tekanan atmosfera.
