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[教授] 李永武教授的共同研究小组投身于低成本氢气生产水电解技术的新老技术交替
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  • 2022-01-19 09:19:08

  韩国国内研究组开发出了可以有效降低绿色氢生产费用且不会在此过程生产CO2的的新一代负离子交换膜水电解(AEMWE)的核心技术。汉阳大学能源工学系李永武教授组和韩国科学技术研究院(KIST)的氢气与燃料电子研究中心李素英博士组最近通过共同研究开发出了负离子交换膜水电解用膜电极组件(MEA)。预计该相关技术可以取代高成本的正离子交换膜水电解(PEMWE)技术。

 

  氢气作为具有代表性的化石燃料的清洁能源替代品而备受科学界的关注,而研究团为了开发可实现不会有温室气体在使用绿色氢气中被排放而在在积极努力地开发相关水电解技术。最近,虽然多种企业正在进行相关的研究及实现其商用化,但目前的阳离子交换膜水电解技术的缺点是其核心材料技术都只集中在部分发达国家,与此同时此技术必须使用价格昂贵的贵金属作为催化剂以及需使用制造费用昂贵的系统来使用过氟碳系阳离子交换膜。

 

  对此,作为替代方案的新一代水电解技术使用负离子交换膜和正极粘合剂的负离子交换膜水电解并使用非贵金属作为催化剂,同时用铁(Steel)材料代替构成水电解单元的隔板材料等,以此达成用低价且安全的技术生产高纯度氢气。

 

  如果仅是比较催化剂和隔板材料的价格,其制造成本就比阳离子交换膜水电解的成本便宜约3000倍。不仅如此,由于阳离子交换膜水电解性能比较低,而且存在可运作时间不到100小时的耐久性方面的问题,因此该技术未能在商业化上被利用。

 

  研究组增加了在高分子结构内的非表面面积从而开发了具有高离子传导性和碱性耐久性的芴-吡乙基甲基哌啶鎓的负离子交换的原材料(电解质膜和电极粘合剂),并以此为基础开发了膜电极接合体。 如此开发的材料具有可用于1000小时以上的卓越耐久性,并到达了世界最高的电池性能:7.68A/cm2。与现有的负离子交换材料相比,前者性能约高于后者6倍之多,而与高价的商用正离子交换膜水电解技术(6A/cm2)相比,性能高于后者约为1.2倍之多。

 

  此举一同克服了在此之前负离子交换膜水电解的核心材料被垄断及其性能及耐久性的双重难题,使其水平到达了可将国内该技术代替阳离子交换膜水电解技术的水平。除性能及耐久性外,开发的负离子交换膜材料在获得产业通商资源部的支援下,并结合了大容量化及大面积化技术,以此加快了其用于商用化的步伐。

 

  李素英博士对此成果表示:"我们获得了在超越新一代负离子交换膜水电解技术中被局限的源材料及高效率化技术,更划时代地降低了绿色氢气生产费用的水电解技术而为技术新老交替奠定了基础。

李永武教授表态道:"这次开发的材料不仅是在水电解技术上的进步,它也给被用作氢燃料电池、新一代氢气产二氧化碳资源化及直接氨燃料电池的核心材料的未来带来了无限的可能性。"

 

  此次研究在科学技术信息通信部的支援下,作为KIST、韩国研究财团和产业技术评价院的原材料、零部件技术开发事业进行,其研究成果刊登于最新一期的《Energy&Environmental Science》科学刊(IF=38.532, JCR 领域前0.182%)。

 

 * (论文英文原名) High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 Acm-2 and durability of 1000h

   - (第一作者) 汉阳大学博士后研究员 钱南俊

   -(第一作者)韩国科学技术研究院研究员白雪亮

   -(通讯作者)韩国科学技术研究院责任研究员李素英

   - (通讯作者) 汉阳大学 李永武教授

[图1] 阴离子交换膜 水电解模型图

[图1] 阴离子交换膜 水电解模型图


[图2] 目前已开发的负离子交换膜水电解性能和耐久性现状及本研究结果的比较


李永武教授

李永武教授

 

李素英博士

李素英博士

 

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