Die AEM ist gewissermaßen eine Hybridlösung aus PEM und der herkömmlichen, auf Membranen basierenden Laugenelektrolyse. Das Funktionsprinzip der AEM-Elektrolysezelle ist in Abbildung 3 dargestellt. An der Kathode wird Wasser zu Wasserstoff und OH⁻ reduziert. Die OH⁻-Ionen fließen durch die Membran zur Anode, wo sie zu Sauerstoff rekombinieren.
Li et al. [1-2] untersuchten einen hochquaternisierten Polystyrol- und Polyphenylen-AEM-Hochleistungs-Wasserelektrolyseur. Die Ergebnisse zeigten eine Stromdichte von 2,7 A/cm² bei 85 °C und einer Spannung von 1,8 V. Bei Verwendung von NiFe und PtRu/C als Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion sank die Stromdichte deutlich auf 906 mA/cm². Chen et al. [5] untersuchten die Anwendung hocheffizienter, nicht-edelmetallbasierter Elektrolysekatalysatoren in einem alkalischen Polymerfilmelektrolyseur. NiMo-Oxide wurden mit H₂/NH₃-, NH₃-, H₂- und N₂-Gasen bei verschiedenen Temperaturen reduziert, um Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion zu synthetisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der NiMo-NH₃/H₂-Katalysator mit H₂/NH₃-Reduktion die beste Leistung aufweist, mit einer Stromdichte von bis zu 1,0 A/cm² und einem Energieumwandlungswirkungsgrad von 75 % bei 1,57 V und 80 °C. Evonik Industries hat auf Basis seiner bestehenden Membrantechnologie zur Gastrennung ein patentiertes Polymermaterial für den Einsatz in AEM-Elektrolysezellen entwickelt und baut die Membranproduktion derzeit in einer Pilotanlage aus. Im nächsten Schritt sollen die Zuverlässigkeit des Systems überprüft und die Batteriespezifikationen verbessert werden, während gleichzeitig die Produktion hochgefahren wird.
Aktuell bestehen die größten Herausforderungen für AEM-Elektrolysezellen in der unzureichenden Leitfähigkeit und Alkalibeständigkeit der AEM sowie den hohen Herstellungskosten der Elektrolysezellen aufgrund der Verwendung von Edelmetall-Elektrokatalysatoren. Gleichzeitig führt das Eindringen von CO₂ in die Zellschicht zu einer Verringerung des Schicht- und Elektrodenwiderstands und damit zu einer verminderten Elektrolyseleistung. Die zukünftige Entwicklung von AEM-Elektrolyseuren umfasst folgende Punkte: 1. Entwicklung von AEM mit hoher Leitfähigkeit, Ionenselektivität und langfristiger Alkalistabilität. 2. Überwindung der hohen Kosten von Edelmetallkatalysatoren durch Entwicklung leistungsstarker, edelmetallfreier Katalysatoren. 3. Derzeit liegt der Zielkostenrahmen für AEM-Elektrolyseure bei 20 $/m², der durch kostengünstige Rohstoffe und reduzierte Syntheseschritte gesenkt werden muss, um die Gesamtkosten zu reduzieren. 4. Reduzierung des CO₂-Gehalts in der Elektrolysezelle und Verbesserung der Elektrolyseleistung.
[1] Liu L, Kohl P A. Anionenleitende Multiblockcopolymere mit verschiedenen gebundenen Kationen[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Hochquaternisierte Polystyrol-Ionomere für Hochleistungs-Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378–385.
Veröffentlichungsdatum: 02.02.2023