可降低氫能製造成本的水電解用陰離子交換膜

 

刊登日期:2021/7/20
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東京工業大學開發了一款可降低氫能製造成本的水電解用陰離子交換膜。研究團隊針對陰離子交換膜的分解機制進行了分析,並特定出分解開始的位置,進而開發出具有高耐久性且容易進行量產的陰離子交換膜。相對於使用質子交換膜傳導氫離子的固體高分子型水電解技術,利用陰離子交換膜的固體鹼性水電解具有不使用高價白金,進而實現大幅低成本化的優點,但既有的芳香族類陰離子交換膜在鹼性環境的耐久性欠佳是一項有待解決的課題。

有鑑於此,東京工業大學針對陰離子交換膜的分解機制進行了解析,進而發現是從架構中的乙醚(Ether)部位開始分解。利用此項發現,研究團隊開發了架構僅以苯環(Benzene Ring)等芳香族結合而構成的全芳香族型陰離子交換膜,並在材料設計上採用了容易利用於量產的C–H活性化聚合法,分子量高達20萬以上,易於溶解於溶媒,因此容易成膜。

研究團隊將新開發的陰離子交換膜應用於電解質膜與觸媒層離子聚合物(黏合劑),製作了膜電極接合體(Membrane Electrode Assembly)。為了確認在鹼性環境下的耐久性,研究團隊利用氫氧化鉀(KOH)水溶液,進行80℃時的水電解性能調查。實驗結果顯示轉換效率高達80~83 %(電流密度1.0 A/cm2),且運轉時間超過100小時,也幾乎沒有出現電壓變化,因此可以確認在高溫、鹼性環境之下能具有高耐久性。

此外,研究團隊也進一步利用純水進行了試驗。一般鹼性水電解為了確保離子傳導而使用氫氧化鉀水溶液,但有回收的必要,若使用純水的話,將能簡化水電解系統。研究團隊以同樣1.0 A的實驗條件,確認轉換效率可達到69~76 %,成功地以純水實現了水電解。由此可知,新開發的陰離子交換聚合物具有高度氫氧化物離子傳導性,因此不須使用氫氧化鉀水溶液,氫氧化物離子也能在觸媒層中高速傳導,且確認在80℃達到了150小時以上的穩定運轉。可利用純水且不需要白金的固體鹼性水電解系統將可望成為促進氫能製造大幅低成本化之次世代技術。


資料來源: 化學工業日報/材料世界網編譯
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