Membraanloze elektrolyzer voor waterstofproductie

Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met Wuhan University en Wuhan University of Technology, is onlangs gepubliceerd in Nature Communications.

Hoewel elektrolyzers al meer dan 200 jaar bekend zijn, staat de technologie nog steeds voor grote uitdagingen. Zo is de conventionele alkalische elektrolyse vooral geschikt voor lage stroomdichtheid en lage hoge druk, terwijl de opkomende elektrolysetechnologie gebaseerd op een proton-echxange membrane (PEM) afhankelijk is van katalysatoren met schaarse edelmetalen, en bovendien uitgebreide waterzuivering vereist. 

De nieuwe elektrolyser produceert waterstofgas met een zuiverheid van meer dan 99%. Volgens Dr. Yan is het ontwerp van de elektrolyzer zeer robuust, en werkt deze even goed met speciaal gedeïoniseerd water als met gewoon leidingwater.

Schematische weergave van de bereiding van de microgestructureerde FeP-CoP ingebedde stikstof-gedoteerde koolstofelektrokatalysator die het hart vormt van de nieuwe elektrolyser. Afbeelding: HEM.  

De nieuwe elektrolyser bestaat uit twee identieke en afzonderlijke compartimenten met een sandwichachtige architectuur. Door deze sandwich stromen twee oplossingen: een waterstofrijke katholiet en een zuurstofrijke anoliet. Tijdens bedrijf gaan de anoliet en katholiet heen en weer, zodat de rollen van elk compartiment continu worden omgekeerd. Als resultaat levert de nieuwe elektrolyser waterstofgas met een zuiverheid van meer dan 99%.  

Volgens Yan combineert deze nieuwe opstelling het beste van twee werelden: "De dicht opeengepakte sandwichstructuur resulteert in een korte reisafstand van ionen, waardoor de ohmse weerstand van onze membraanvrije cel vergelijkbaar is met die van een PEM-elektrolyser. Samen met de scheiding van de twee reactiekamers, opent dit mogelijkheden voor de cel om te werken met hoge stroomdichtheden die vergelijkbaar zijn met die van PEM’s. Bovendien is ons elektrolyserontwerp zeer robuust en werkt het even goed in gedeïoniseerd water als in gewoon kraanwater." 

Cyclische werking

Om continue prestaties mogelijk te maken, wordt de elektrolyser op een cyclische manier aangedreven waarbij de elektrodekatalysator bifunctioneel is. Tests hebben aangetoond dat hij even goed presteert in de waterreductiereactie als de wateroxidatiereactie.

Een belangrijk voordeel hiervan is dat er geen edele metalen nodig zijn. In plaats daarvan gebruikt de cel een aangepaste versie van de met stikstof gedoteerde katalysatoren die eerder door Yan en Gadi Rothenberg zijn ontwikkeld voor brandstofcel- en supercondensatortoepassingen. Deze zeer poreuze en gestructureerde materialen zijn nu gebruikt door promovendus Jasper Biemolt als dragers voor ijzer-kobaltlegeringen en hun fosfidederivaten.