New Energies, new possibilities

SINGAPORE, May 13, 2024 /EINPresswire.com/ -- After close to 20 years of scientific research into fuel cell and electrolyser membranes, Horizon Fuel Cell Technologies is announcing a scientific breakthrough in Anion Exchange Membrane technology.

Green hydrogen costs need to drop significantly for the global community to meet its decarbonization targets while at the same time competing effectively with fossil fuel alternatives. AEM (Anion Exchange Membrane) electrolysis stands out as a highly promising technology due to strong dynamic response capabilities, much lower equipment costs, and higher efficiencies. However, this emerging technology is still considered by many analysts and experts as relatively unproven.

The membrane is one of the critical components influencing performance, longevity, efficiency, and cost of AEM electrolysis systems: considered the keys to unlocking the potential for large-scale commercial deployment of AEM-based hydrogen production equipment. In February 2024, Horizon announced a significant breakthrough in their AEM development, and now the company is releasing important specifications and test data.

Horizon's membrane material, structure and production method yield dramatically improved ion conductivity while achieving robust mechanical and chemical stability over extended periods. A fully saturated carbon-hydrogen polymer resin is used as the base material for the functional groups, with a thickness of 50μm, only 1/10 the thickness of typical polyphenylene sulfide (PPS) membranes used in alkaline electrolysers.

With a tensile strength exceeding 65MPa, the Horizon membrane demonstrates a robustness 1.5 to 2 times greater than competing products that have been evaluated. As a result, less material is needed and lower internal resistance can be achieved, and electrolysers utilising such membranes will be able to produce green hydrogen at the lowest possible cost.

Horizon anion exchange membrane research and development was in line with the company’s U.S. Patent Application No. 2007/0275291 featuring multilayer mechanical and chemical reinforcement. The company continued its membrane development in the past decade to improve both operating performance and production process.

The latest scientific breakthrough facilitates the mass production of a new breed of robust AEM electrolysers, enabling higher pressure tolerance and superior gas barrier properties between the hydrogen and oxygen sides, thereby ensuring enhanced safety during operation. Testing outcomes reveal that under equivalent conditions, both the performance and longevity of Horizon's AEM significantly surpass competing products from global suppliers.

Historically, 99% of the world’s industrial hydrogen has been produced using steam reforming of natural gas, a process that releases 10 tons of CO2 for every ton of hydrogen produced. With Horizon’s scientific breakthrough in long-life AEM materials, green hydrogen can cost-effectively displace the grey hydrogen valued at more than $200 Billion per year, used in the production steel, fertilisers, chemicals and oil refining. This also paves the way to competitive operational costs of hydrogen-electric power in mobility and stationary applications.

Combining one of the world’s rarest metals with a comparatively abundant element could help accelerate green hydrogen production, with a Japanese research team developing an enhanced catalyst for industrial electrolysis.

Iridium is a vital, but rare catalyst involved in the electrolysis process that produces green hydrogen, effectively by using electricity from a renewable energy source to split water into separate hydrogen and oxygen molecules.

Such is its scarcity that only around 3 tonnes are produced annually from a thin layer of the Earth’s crust and other small deposits. It’s the most corrosion-resistant element and is very unreactive, making it perfect as a catalyst that can speed up electrolysis reactions without degrading itself. 

Scanning electron microscope image of the synthesized iridium oxide (D) and scanning transmission electron microscope images of the iridium (bright spots) dispersed on manganese oxide electrodeposited on a corrosion-resistant platinum-coated titanium mesh (E,F,G). Credit: RIKEN, handout

To reduce the need for iridium, a team of researchers at the Japanese RIKEN Center for Sustainable Resources Science has published results in the journal Science showing a new electrolysis method that requires 96% less iridium for the same outcome.

“We need a way to bridge the gap between rare metal and common metal-based electrolysers so that we can make a gradual transition over many years to completely sustainable green hydrogen,” says Ryuhei Nakamura, an electrochemist at RIKEN who led the study.

To reduce iridium reliance, the RIKEN team combined iridium with manganese oxide. By dispersing iridium atoms on a piece of manganese oxide, the team conducted highly efficient electrolysis such that it “exceeds that of iridium catalysts reported previously”.

Nakamura’s team ran a continuous electrolysis process for around 4 months at around 82% efficiency using the material.

He anticipates their platform will be “easily transferred to real-world applications” with industry partners collaborating with the RIKEN group to introduce the technology to market.

Introducing more efficient materials like their iridium-manganese catalyst could help reduce the need to extract substantial amounts of the rare metal. The equivalent of 40 years of iridium extraction would be required to bring global hydrogen production to terawatt scale, with the world’s energy demand currently around 18TW on average.

Iridium workaround could speed up green hydrogen industry (cosmosmagazine.com)

Shipping sector's demand for green hydrogen 'could require 1,000GW of electrolysers and millions of new jobs' | Recharge (hydrogeninsight.com)

수소·연료전지기술청, 세부전략계획인 MYPP 발표
올해 4,221억 원 투입…수전해‧연료전지 고도화 추진
청정수소 생산비용 2031년까지 1달러/kg 달성 목표

월간수소경제 = 박상우 기자 | 미국 정부가 역내 청정수소 생산비용을 2031년까지 1kg당 1달러(약 1,361원)로 낮춘다.

6일(현지시간) 미 에너지부(DOE) 산하 수소·연료전지기술청(HFTO)은 청정수소 및 연료전지 분야 세부 전략 계획인 ‘HFTO 다년간 프로그램 계획(MYPP, Multi-Year Program Plan)’을 발표했다.

MYPP는 ‘미국 국가 청정수소 전략 및 로드맵’의 우선순위에 따라 청정수소 및 연료전지 분야의 잠재력을 최대한 실현하기 위해 극복해야 할 과제를 제시하고 그에 따른 향후 세부 전략 계획을 소개하고 있다.

미 정부는 ‘미국 국가 청정수소 전략 및 로드맵’에 따라 2030년까지 1,000만 톤, 2040년까지 2,000만 톤, 2050년까지 5,000만 톤의 청정수소 생산을 목표로 하고 있다.

세부적으로 살펴보면 저온형 수전해 시스템의 경우 2026년까지 8만 시간의 수명과 65%의 시스템 효율(LHV)을 달성하고 가격을 현재의 4분의 1수준인 250달러(약 34만 원)/kW까지 낮춘다는 계획이다. 이를 위해 PEM의 경우 핵심 촉매제인 백금족 금속 함량을 현재의 6분의 1수준인 0.5mg/cm²까지 줄인다.

고온형 수전해 시스템은 2026년까지 4만 시간의 수명과 76%의 시스템 효율(LHV)을 달성하고 가격을 현재의 5분의 1수준인 500달러(약 68만 원)/kW까지 낮춘다는 계획이다.

아울러 △광전기화학(PEC) △태양열화학수소(STCH) △미생물 등 다양한 수소생산기술을 개발한다.

이와 함께 HFTO는 올해 원자력 발전소에 1.25MW급 PEM 수전해 시스템을 설치해 통합 운영하는 프로젝트를 실시할 예정이다. 2025년에는 유사한 조건에서 고온형 수전해 시스템을 설치해 통합 운영하는 프로젝트를 진행한다.

이를 통해 청정수소 생산비용을 2026년까지 2달러(약 2,727원)/kg, 2031년까지 1달러(약 1,361원)/kg로 낮춘다는 게 HFTO의 설명이다.

연료전지의 경우 중‧대형 상용차에 탑재되는 PEM 연료전지에 대해 단기적으로 우선순위를 둬 2030년까지 연간 스택 생산량을 2만 개로 확대하고 가격을 현 170달러/kW에서 80달러/kW로 낮춘다. 

이와 함께 중‧대형 상용차용 수소연료가격을 2028년까지 현재의 절반 수준인 1kg당 7달러(약 9,550원)로 낮추고 수소저장탱크에 적용되는 탄소섬유 가격을 절반 수준까지 낮춰 수소저장탱크 가격을 2030년 1kg당 300달러(약 41만 원)를 달성한다는 목표다.

전력용 연료전지는 2030년까지 시스템 효율을 현 40~60%에서 65%까지, 수명을 8만 시간까지 끌어올리고 가격은 현재 2,500달러/kW에서 1,000달러/kW까지 낮춘다는 목표다.

이를 위해 2027년까지 △1만 시간의 수명과 60% 효율을 갖춘 백업 전력용 연료전지 △4만 시간의 수명과 60% 효율을 갖춘 분산전력용 및 에너지저장시스템용 연료전지 △90% 이상의 열과 전력의 복합 효율 및 8만 시간의 수명을 갖춘 중규모 열-전력 복합 연료전지 발전 시스템을 개발한다.

그 일환으로 2025년까지 마이크로그리드에 사용될 연료전지 발전기의 성능을 테스트하기 위한 시범운영을 시행한다. 같은 기간 최소 2가지 유형의 발전시설과 연계한 3MW 이상의 통합 수전해 시스템을 6개 이상 시범운영하고 용량을 2027년까지 10MW으로 확대한다.

아울러 전류가 흐르는 방향에 따라 수전해 또는 연료전지로 변환되는 양방향 고체산화물 연료전지의 스택을 고도화해 효율을 현 37%에서 2030년 60%, 스토리지 비용을 1.10달러/kWh에서 2030년 0.10달러/kWh를 달성한다는 계획이다.

HFTO는 이러한 과제를 달성하기 위해 올해 3억1,000만 달러(약 4,221억 원)를 투입한다.

美, 2년 안에 수전해 가격 5분의 1까지 낮춘다 < 정책 < NEWS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)