Skala w jakiej muszą być wybudowane elektrolizery na potrzeby produkcji wodoru do roku 2050 i później wymaga poszukiwań rozwiązań nad obniżką kosztów ich produkcji. Zidentyfikowano też krytyczne materiały przeznaczone do budowy elektrolizerów wody jak również potencjalne ograniczenia ich dostaw w przyszłości. Dlatego KE opracowała Critical Material Act -rozporządzenie ustanawiającego ramy na potrzeby zapewnienia bezpiecznych i zrównoważonych dostaw surowców krytycznych - którego projekt został przyjęty przez Radę EU 23 czerwca 2023.

Równolegle wszyscy producenci prowadzą badania m.in. nad zmniejszeniem zużycia materiałów ogólnie a szczególnie materiałów krytycznych czy wręcz zastępowaniem metali szlachetnych i/lub metali ziem rzadkich tańszymi rozwiązaniami.

Intensyfikacja procesu elektrolizy alkalicznej może być osiągnięta dzięki zastosowaniu:

•nowych materiałów elektrodowych,

•nowych membran,

•innowacyjnej konstrukcji ogniwa,

Jednym z najnowszych rozwiązań  jest opracowanie specjalnej powłoki nakładanej na elektrody - powłoki “nanoFlux”. Opracowana ona została przez brytyjską firmę Oxford NanoSystems (ONS). Powłoka ta jest wykonana ze stopu metalicznego, który jest nakładany na elektrody zamiast powłok na bazie niklu zwykle stosowanych w elektrolizerze alkalicznym. Wg naukowców powłoka ta pozwoli na prawie dwukrotne zwiększenie ilości produkowanego wodoru z elektrolizera alkalicznego. A ponieważ powłoka kosztuje mniej niż dotychczasowe powłoki niklowe, oznacza to, że koszt nakładów inwestycyjnych stosu jest zmniejszony.

Główni producenci elektrolizerów testują obecnie tą tanią powłokę ze stopu metalicznego w celu jej komercyjnego wykorzystania w ciągu dwóch lat.

Dzięki tej specjalnej powłoce na elektrodzie mniejsze pęcherzyki gazów które oddalają się od elektrod ułatwiając ruch elektronów w systemie. Oznacza to, że można stosować wyższe natężenia prądu elektrycznego przepływające przez elektrolizer bez jego przegrzania.

Nad rozwinięciem powierzchni elektrod prowadzone są również badania w Pracowni Materiałów Funkcjonalnych w Instytucie Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego PAN w Gdańsku.

Prowadzone są prace przy wykorzystaniu technologii laserowej do modyfikacji powierzchni nanoporowatych struktur  na nowe elektrody. Opracowana przez IMP PAN  technologia pozwala na selektywne zamykanie otwartych nanorurek czy „dekorowanie” ich nanocząstkami metali, co wykorzystano do stworzenia elektrod służących do oznaczana poziomu glukozy czy  w procesach rozkładu wody. Prace te zostały zaprezentowane na naszej corocznej konferencji PCHET w roku 2021,

W przypadku elektrolizerów typu PEM jako katalizator  na elektrodzie wykorzystuje się iryd – jeden z najrzadszych ze wszystkich sprzedawanych metali szlachetnych. Firma Toshiba opracowała katalizator laminowany nanowarstwą tlenku irydu, który zmniejszył zapotrzebowanie na iryd do 1/10 . Aby uzyskać taką  wielowarstwową elektrodę stosowana jest nowa technologia rozpylania/osadzania naprzemiennych warstw nanowarstw  tlenku irydu i warstwy pustej przestrzeni. Komercjalizacje tej technologii została wprowadzona w tym roku.

To tylko przykłady opracowywanych ulepszeń i chociaż dotyczą one tylko poszczególnych elementów budowy elektrolizera i jako takie stanowią niewielki udział procentowy w całkowitym koszcie inwestycyjnym to minimalizują zużycie materiałów krytycznych przy zachowaniu wysokiej wydajności przyczyniając się do obniżki cen elektrolizerów.  

Autor: Marek Foltynowicz
Expert at Cluster of Hydrogen Technologies

Źródła:

https://www.hydrogeninsight.com/innovation/new-material-will-almost-double-the-rate-of-green-hydrogen-production-from-alkaline-electrolysers-say-researchers/2-1-1488896

https://www.global.toshiba/ww/technology/corporate/rdc/rd/topics/22/2210-01.html