Hydrogen Production by Alkaline Polymer Electrolyte Electrolysis

HAPEEL-prosjektet har bidratt til utviklingen av en ny type vannelektrolysator for hydrogenproduksjon. Den såkalte anionbyttermembran vannelektrolyse (AEMWE) -teknologien har potensial til å kombinere de lave kostnadene fra alkalisk elektrolyse med kompaktheten og fleksibiliteten fra PEM-elektrolysatorer. Denne nye typen elektrolyse er basert på en anionbyttermembran (AEM) som leder OH-ioner i stedet for H + -ioner og åpner for bruk av materialer med betydelig lavere kostnader enn edle metaller og titan. De mulig lavere kostnadene vil resultere i muligheten til å produsere hydrogen fra fornybar energi med betydelig lavere kostnader enn i dag. Hovedutfordringen for denne typen elektrolyse er å oppnå tilstrekkelig ledningsevne av membranen og å produsere høyt aktive katalysatorer for hydrogenutvikling. Dette prosjektet har inngått samarbeid med verdens ledende eksperter innen alkaliske polymerer som vil tilby materialene sine for testing. Det norske brenselcelle og hydrogen senteret vil bli brukt til å teste og karakterisere disse AEMWE-enhetene. I 2018 startet HAPEEL-prosjektet med å ansette en ny doktorgradskandidat. Alaa Faid ble tatt opp til doktorgradsprogram i materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved NTNU. Hans hovedoppgave har vært å jobbe med HAPEEL-prosjektet med å forbedre katoden til anionbyttermembran vannelektrolysatorer (AEMWE) ved Rasjonell design av HER-katalysatorer for alkalisk miljø. Alaa og NTNU har gjort store fremskritt med syntesen av hydrogenutviklingskatalysatorer (HER) ved bruk av forskjellige synteseteknikker, f.eks. g. Samutfelling, kjemisk reduksjon, hydrolyse og våtimpregnering. NiMo-katalysatorer har vist den høyeste elektrokjemiske aktiviteten og har allerede blitt testet i ekte AEMWE-applikasjon av SINTEF. SINTEF har arbeidet med å validere forskjellige membranteknologier fra eksterne internasjonale samarbeidspartnere, f.eks. Ionomr Innovation (Canada) og Evonik (Tyskland) og har allerede etablert gode metoder for AEM-testing. I tillegg har to studentgjester fra Canada vært på SINTEF og jobbet med AEMWE. Amelia Hohenadel PhD fra SFU som jobber med nye AEM-membraner og Emily Cossar Masterstudent fra University of Ottawa som arbeider med nye Ni-baserte oksygenutviklingskatalysatorer for AEMWE. I 2019 har HAPEEL-prosjektet fortsatt med god fremgang, NTNU har fortsatt å fokusere på Ni-basert katalysator for hydrogenutviklingsreaksjonen, inkludert utvikling av NiCo-, NiFe- og NiCu-katalysatorsystemer. HAPEEL-teamet har deltatt på flere internasjonale konferanser og publisert to nye fagfellevurderte vitenskapelige artikler. I den senere halvdelen av 2019 har NTNU og SINTEF fokusert på å integrere disse nye PGM-frie katalysatorene i komposittelektrode i ekte AEM-enheter, og utføre langvarige holdbarhetstester. Emily Cossar, nå doktorgradsstudent fra universitetet i Ottawa, bestemte seg for å besøke SINTEF på nytt i løpet av våren. I tillegg besøkte en postdoktorand fra SFU Canada, Patrick Fortin SINTEF-laboratoriet. HAPEEL-konsortiet har fått mye oppmerksomhet for sitt arbeid så langt og har blitt kontaktet av flere internasjonale selskaper som trenger hjelp til å utvikle teknologien. SINTEF, NTNU, sammen med flere andre EU-selskaper og forskningsinstitutter, søkte om H2020-finansiering, med SINTEF som koordinator. Prosjektet er nå innvilget og forventes å starte i 2020. I 2020 fortsatte HAPEEL-prosjektet arbeidet med å utvikle AEM-enhetene. NTNU-stipendiat Alaa Faid besøkte University of Toronto for studentutveksling. Besøket resulterte også i en ny vitenskapelig publikasjon. I tillegg ble SFU-postdoktor Patrick Fortin som besøkte SINTEF i 2019 ansatt av SINTEF. Dette siste året av prosjektet har vi hatt fokus på optimalisering av AEM-enheten. SINTEF var vertskap for en masterstudent fra Katholieke Universiteit Leuven som jobbet med optimalisering av MEA. To NTNU-bachelorstudenter fra Institutt for energi og prosessteknikk designet, konstruert og testet en full AEM cellepakke. NTNU PhD-kandidaten har nå levert sin avhandling og vil bli ansatt som post-doc for å jobbe med det nye SINTEF / NTNU EU-prosjektet CHANNEL med sikte på å utvikle en 2kW AEM-elektrolyse system.

Prosjektet HAPEEL har fornyet det vitenskapelige forståelsen og resultere i en større forståelse av katalysatorer og katalytiske elektroder for AEM elektrolyse gjennom en kombinasjon av grunnleggende og anvendte forskning. HAPEEL-prosjektet har utvidet følgende kunnskap: 1. Utvikling av metoder rettet mot karakterisering av morfologien og ledningsevnen til katalytiske lag. 2. Ytelsen mot sammensetningen og strukturen til de katalytiske lagene og muliggjort rasjonell design og valg av materialer for HER i AEM. 3. Økt interesse før kommersialisering av AEM-teknologien i Norge og EU. SINTEF og NTNU nå leder et H2020 EU prosjekt innom AEM elektrolyse som heter CHANNEL.

The HAPEEL project will contribute to the development of a new type of water electrolyser. The Alkaline Polymer Electrolyte Electrolysis (APEE) has the potential to combines the low cost of alkaline electrolysis with the high power and flexibility of PEM electrolysis. One of the main issues of all water electrolysis in alkaline environment is the significant efficiency loss related to the hydrogen evolution reaction (HER). Rational design for active HER catalyst has recently been proposed. However, these reports commonly investigate the catalyst activity in liquid electrolytes, not representative of the soli-state APEE environment, e. g. catalyst and polymer composite electrode. The central hypothesis of HAPEEL is that HER activity in real APEE electrolysers is strongly dependent on both catalysts activity and the type and amount of the polymer phase in the electrode. To address this, HAPEEL has gathered a unique group of world-leading experts in the field of alkaline polymers to provide HAPEEL with these materials. HAPEEL will design and synthetize state-of-the-art HER catalysts; it will develop fabrication and characterization methods for these composite electrode; and it will perform full in-situ electrochemical characterization in real APEE devices in order to understanding catalyst/polymer interactions. The in-situ electrochemical testing will be carried out using the new Norwegian Fuel Cell and Hydrogen center. The concepts developed in HAPEEL aims to support Norwegian industries towards future transformations within the energy sphere. It will educate a PhD candidate and will focus in disseminating and communicating the results to end-users.