AEM ist gewissermaßen eine Mischung aus PEM und traditioneller membranbasierter Laugenelektrolyse. Das Prinzip der AEM-Elektrolysezelle ist in Abbildung 3 dargestellt. An der Kathode wird Wasser reduziert, um Wasserstoff und OH zu erzeugen. OH – fließt durch das Diaphragma zur Anode, wo es sich zu Sauerstoff rekombiniert.
Li et al. [1-2] untersuchten hoch quaternisiertes Polystyrol und Polyphenylen AEM-Hochleistungs-Wasserelektrolyseur und die Ergebnisse zeigten, dass die Stromdichte 2,7 A/cm2 bei 85 °C und einer Spannung von 1,8 V betrug. Bei Verwendung von NiFe und PtRu/C als Katalysatoren zur Wasserstoffproduktion sank die Stromdichte deutlich auf 906 mA/cm2. Chen et al. [5] untersuchten die Anwendung eines hocheffizienten Nichtedelmetall-Elektrolysekatalysators in einem alkalischen Polymerfilm-Elektrolyseur. NiMo-Oxide wurden durch H2/NH3-, NH3-, H2- und N2-Gase 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 Gastrennmembrantechnologie ein patentiertes Polymermaterial für den Einsatz in AEM-Elektrolysezellen entwickelt und baut derzeit die Membranproduktion auf einer Pilotlinie aus. Der nächste Schritt besteht darin, die Zuverlässigkeit des Systems zu überprüfen, die Batteriespezifikationen zu verbessern und gleichzeitig die Produktion zu steigern.
Derzeit sind die größten Herausforderungen für AEM-Elektrolysezellen das Fehlen einer hohen Leitfähigkeit und Alkalibeständigkeit von AEM, und der Edelmetall-Elektrokatalysator erhöht die Kosten für die Herstellung von Elektrolysegeräten. Gleichzeitig verringert das in den Zellfilm eindringende CO2 den Filmwiderstand und den Elektrodenwiderstand und verringert so die elektrolytische Leistung. Die zukünftige Entwicklungsrichtung des AEM-Elektrolyseurs ist wie folgt: 1. Entwicklung von AEM mit hoher Leitfähigkeit, Ionenselektivität und alkalischer Langzeitstabilität. 2. Überwinden Sie das Problem der hohen Kosten für Edelmetallkatalysatoren und entwickeln Sie Katalysatoren ohne Edelmetalle und mit hoher Leistung. 3. Derzeit liegen die angestrebten Kosten für den AEM-Elektrolyseur bei 20 US-Dollar pro m2. Diese Kosten müssen durch billige Rohstoffe und weniger Syntheseschritte gesenkt werden, um die Gesamtkosten des AEM-Elektrolyseurs zu senken. 4. Reduzieren Sie den CO2-Gehalt in der Elektrolysezelle und verbessern Sie die Elektrolyseleistung.
[1] Liu L, Kohl P A. Anionenleitende Multiblockcopolymere mit verschiedenen angebundenen Kationen[J].Journal of Polymer Science Teil 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.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.02.2023