Fortschritts- und Wirtschaftsanalyse der Hydroelektrolyse mit Ionenaustauschmembran (AEM) zur Wasserstofferzeugung

AEM ist gewissermaßen ein Hybrid aus PEM und traditioneller Diaphragma-basierter 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 rekombiniert, um Sauerstoff zu erzeugen.

Liet al. [1-2] untersuchten hoch quaternisierte Polystyrol- und Polyphenylen-AEM-Hochleistungs-Wasserelektrolyseure, und die Ergebnisse zeigten, dass die Stromdichte 2,7 A/cm2 bei 85 °C bei einer Spannung von 1,8 V betrug. Bei Verwendung von NiFe und PtRu/C als Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung sank die Stromdichte deutlich auf 906mA/cm2. Chenet al. [5] untersuchten die Anwendung von hocheffizienten Nichtedelmetall-Elektrolytkatalysatoren in alkalischen Polymerfilm-Elektrolyseuren. NiMo-Oxide wurden durch H2/NH3-, NH3-, H2- und N2-Gase bei unterschiedlichen 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 mit einer Stromdichte von bis zu 1,0 A/cm2 und einer Energieumwandlungseffizienz von 75 % bei 1,57 V und 80 °C aufweist. Evonik Industries hat auf der Grundlage seiner bestehenden Membrantechnologie zur Gastrennung 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 und die Batteriespezifikationen zu verbessern, während die Produktion skaliert wird.

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 CO2, das in den Zellfilm eindringt, den Filmwiderstand und den Elektrodenwiderstand, wodurch die elektrolytische Leistung verringert wird. Die zukünftige Entwicklungsrichtung von AEM-Elektrolyseuren ist wie folgt: 1. Entwicklung von AEM mit hoher Leitfähigkeit, Ionenselektivität und langfristiger alkalischer Stabilität. 2. Überwinden Sie das Problem der hohen Kosten von Edelmetallkatalysatoren, entwickeln Sie Katalysatoren ohne Edelmetall und mit hoher Leistung. 3. Derzeit liegen die Zielkosten des AEM-Elektrolyseurs bei 20 USD /m2, die durch billige Rohstoffe und reduzierte Syntheseschritte gesenkt werden müssen, 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 Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. Hoch quaternisierte Polystyrol-Ionomere für Hochleistungs-Wasserelektrolyseure mit Anionenaustauschermembran [J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 -- 385.