Однако рынок в целом, как правило, уделяет меньше внимания инновациям в материалах и компонентах. В этой статье будут рассмотрены некоторые критически важные приоритеты в области материалов и компонентов для основных технологий электролизеров на основе данных из отчета IDTechEx «Материалы для производства экологически чистого водорода 2024-2034: технологии, игроки, прогнозы».

Щелочной электролизер для воды (AWE): новые конструкции электродов для повышения эффективности

Щелочной электролизер воды (AWE) — это зрелая и широко коммерциализированная технология, предлагающая самые низкие капитальные затраты и предсказуемую долгосрочную производительность. В ячейках AWE используется жидкий щелочной электролит (гидроксид калия, KOH) вместе с пористой диафрагмой, а в качестве материалов используются широко доступные материалы, такие как никель и нержавеющая сталь.

Одна из главных проблем электролизных электродов с водяным охлаждением (AWE) — их более низкая эффективность по сравнению с основным конкурентом: электролизером с протонно-обменной мембраной (PEMEL). Поэтому разработчики технологий и материалов для электролизеров сосредоточились на создании высокоэффективных каталитических покрытий для электродов, чтобы повысить эффективность преобразования воды в водород и кислород. Высокоэффективные покрытия доступны на рынке, но многие из них по-прежнему основаны на использовании критически важных металлов платиновой группы (PGM), таких как рутений, в смешанных оксидных покрытиях.

Исследования в области электродных покрытий сосредоточены на поиске и применении новых каталитических материалов. Среди наиболее перспективных стратегий — сочетание традиционного никеля с другими переходными и непереходными металлами, например, в NiFeCoP. Кроме того, использование пористых электродов, таких как никелевые сетки, может быть особенно хорошо сочетаться с такими типами покрытий, создавая высоконаноструктурированные катализаторы, обеспечивающие большую площадь поверхности для реакций.

Прижимание этих электродов к пористой диафрагме может дополнительно повысить эффективность за счет сокращения расстояния, которое химические вещества должны преодолеть между реакционными центрами. Это называется конфигурацией ячейки с нулевым количеством пустот и уже широко используется в коммерческих установках AWE. Компания De Nora является одним из производителей компонентов ячеек с нулевым количеством пустот и передовых покрытий для электродов, а также сотрудничает с такими известными поставщиками AWE, как McPhy Energy и thyssenkrupp nucera. IDTechEx ожидает, что сочетание этих стратегий проектирования материалов и компонентов может еще больше повысить эффективность AWE, но необходимы более масштабные коммерческие усилия в этом направлении.

Электролизер с протонно-обменной мембраной (PEMEL): снижение потребности в дорогостоящих и ответственных материалах

Электролизеры с протонно-обменной мембраной (PEMEL) приобретают все большую популярность благодаря высокой эффективности, компактной конструкции и адаптации к колебаниям возобновляемых источников энергии. Хотя наблюдается тенденция к стандартизации материалов в топливных элементах PEMEL, инновации отнюдь не стоят на месте, особенно в разработке катализаторов для анода.
Платина (Pt) и иридий (Ir) катализируют электрохимические реакции выделения водорода и кислорода, происходящие в электролизере, соответственно. Наиболее современные материалы, используемые в электролизере, — это платина на углеродной саже (Pt/C) для катода и иридиевая сажа (Ir) или оксид иридия (IrOx) для анода. Использование иридия в аноде особенно проблематично, поскольку текущие нагрузки от 1 до 2,5 г/кВт и высокий спрос со стороны систем PEMEL могут оказать значительное давление на мировые запасы иридия.

Поставщики катализаторов, такие как Heraeus Precious Metals, решают проблему иридия, сочетая его с рутением в смешанном оксидном катализаторе (IrRuOx). Учитывая острую необходимость снижения содержания иридия, этот материал может стать коммерчески доступным в ближайшем будущем. Другая стратегия, изучаемая как в академических кругах, так и в корпоративных научно-исследовательских группах, — это использование поддерживаемых иридиевых катализаторов, аналогично подходу Pt/C. Кроме того, значительные исследования сосредоточены на исключении иридия в пользу других платиновых металлов, таких как рутений, путем сочетания его с переходными металлами в смешанных оксидах. В целом, катализаторы без иридия и платиновых металлов все еще находятся на ранней стадии разработки. IDTechEx прогнозирует, что потребуются дальнейшие исследования для демонстрации их конкурентоспособности и подготовки к широкому коммерческому внедрению.

Другие компоненты электролизера с протонно-обменной мембраной (PEM-электролизером), такие как газодиффузионные слои (GDL) и биполярные пластины, также используют покрытия из драгоценных металлов, а также титан. В будущем использование обоих материалов может стать более проблематичным, поэтому многие компании изучают новые методы производства и нанесения покрытий, чтобы уменьшить свою зависимость от этих материалов. Для получения дополнительной информации см. предыдущую исследовательскую статью IDTechEx о материалах для PEM-электролайзеров.

Приоритеты инноваций в области материалов и компонентов для электролизеров. Источник: IDTechEx

Электролизер с анионообменной мембраной (AEMEL): улучшение мембран и предотвращение использования критически важных материалов

Электролизер с анионообменной мембраной (AEMEL) — это относительно молодая, но быстро развивающаяся технология, цель которой — объединить лучшие качества щелочных и протонно-обменных мембранных технологий. AEMEL стремится объединить доступные материалы электролизеров с анионообменной мембраной (AWE) с высокой эффективностью, характерной для протонно-обменных мембранных мембран (PEMEL). Эта технология переживает стремительный рост и инновации, примером чему служат такие компании, как Enapter, которые являются пионерами в создании коммерческих систем мегаваттного масштаба.

IDTechEx отмечает, что многие исследовательские группы, изучающие технологию AEMEL, продолжают использовать в своих электродах катализаторы на основе платины и иридия. Ключевой задачей для промышленности и новых коммерческих игроков должно стать полное исключение использования платиновых металлов и переход к высокоэффективным наноструктурированным катализаторам, применяемым в области AWE. Кроме того, эта технология могла бы выиграть от применения газодиффузионных электродов (GDE), которые объединяют газодиффузионный слой с электродом в единый компонент.

Еще одна проблема — большое разнообразие материалов, используемых в анионообменных мембранах (АЭМ), и, следовательно, их производительность и долговечность. АЭМ могут выиграть от некоторых стратегий, применяемых в протонно-обменных мембранах (ПОМ), таких как сшивание полимерных цепей и использование опорных слоев (например, ПТФЭ), на которые можно наносить покрытие АЭМ. Разнообразие материалов, вероятно, сохранится, но разработчики АЭМЭ могут черпать вдохновение из современных достижений в технологиях AWE и PEMEL, применяя их в своих собственных конструкциях ячеек и блоков.

Твердооксидный электролизер (SOEC): структура ячейки оптимизирована для высокой производительности и низкой степени деградации

Твердооксидный электролизер (SOEC) также является относительно новой технологией в области электролиза, занимая меньшую долю рынка по сравнению с AWE и PEMEL. SOEC работает при гораздо более высоких температурах (>600 °C), чем упомянутые выше низкотемпературные технологии (50–90 °C), и поэтому требует совершенно других материалов и конструктивных решений.

Технология твердооксидных электролизных элементов (ТОЭЭ) значительно выиграла от достижений в области материалов, полученных в технологии твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), поскольку большинство ТОТЭ спроектированы для обратимой работы либо в качестве электролизера (ТОЭЭ), либо в качестве топливного элемента (ТОТЭ). Хотя некоторые керамические компоненты уже используются в этой технологии, разработка новых материалов и электродно-электролитных сборок в ТОТЭ является перспективным направлением инноваций.

К приоритетам инноваций относится использование электролитов, позволяющих работать при более низких температурах, что может обеспечить долговременную стабильность и экономические преимущества. Среди них — легированный гадолинием диоксид церия (GDC), уже используемый в некоторых коммерческих батареях, например, в компаниях, таких как Ceres Power. Еще одним ключевым аспектом является использование элементов на металлической подложке (MSC) благодаря ряду присущих им преимуществ перед элементами на электродной или электролитной подложке, которые более распространены в коммерческих батареях. К этим преимуществам относятся снижение стоимости материалов и большая устойчивость к термическим циклам и механическим нагрузкам. Кроме того, ведутся значительные работы по улучшению термической и химической совместимости материалов элементов с межсоединениями, контактными слоями и герметиками.

В будущем для твердооксидных электролизных батарей могут быть использованы более совершенные материалы. В целом, в твердооксидных электролизных батареях используется широкий спектр материалов, что подчеркивает не только разнообразие технологии, но и потенциал для инноваций в материалах для этих высокотемпературных электролизеров.

Обзор рынка и стратегические перспективы

Разработчики технологий и материалов для электролизеров сталкиваются с многочисленными проблемами, многие из которых взаимосвязаны. Например, уменьшение толщины протонной или анионообменной мембраны может повысить эффективность, но может снизить ее долговечность. И наоборот, повышение долговечности за счет использования передовых материалов и технологий производства увеличивает производственные затраты. Следовательно, не существует единого оптимального подхода к инновациям в области материалов и компонентов. Однако этот процесс оптимизации открывает значительные коммерческие возможности для разработки более совершенных материалов для электролизеров.

Автор: Чингис Идриссов, технологический аналитик компании IDTechEx