La tecnologia AEM è in un certo senso un ibrido tra la tecnologia PEM e l'elettrolisi tradizionale a diaframma con soluzione alcalina. Il principio di funzionamento della cella elettrolitica AEM è illustrato nella Figura 3. Al catodo, l'acqua viene ridotta per produrre idrogeno e ioni OH⁻. Gli ioni OH⁻ fluiscono attraverso il diaframma verso l'anodo, dove si ricombinano per produrre ossigeno.
Li et al. [1-2] hanno studiato un elettrolizzatore ad alte prestazioni AEM di polistirene e polifenilene altamente quaternizzati, e i risultati hanno mostrato che la densità di corrente era di 2,7 A/cm2 a 85 °C a una tensione di 1,8 V. Quando si utilizzavano NiFe e PtRu/C come catalizzatori per la produzione di idrogeno, la densità di corrente diminuiva significativamente a 906 mA/cm2. Chen et al. [5] hanno studiato l'applicazione di un catalizzatore elettrolitico ad alta efficienza di metalli non nobili in un elettrolizzatore a film polimerico alcalino. Gli ossidi di NiMo sono stati ridotti da gas H2/NH3, NH3, H2 e N2 a diverse temperature per sintetizzare catalizzatori per la produzione elettrolitica di idrogeno. I risultati mostrano che il catalizzatore NiMo-NH3/H2 con riduzione H2/NH3 ha le migliori prestazioni, con una densità di corrente fino a 1,0 A/cm2 e un'efficienza di conversione energetica del 75% a 1,57 V e 80 °C. Evonik Industries, basandosi sulla sua tecnologia esistente di membrane per la separazione dei gas, ha sviluppato un materiale polimerico brevettato per l'utilizzo nelle celle elettrolitiche AEM e sta attualmente ampliando la produzione di membrane su una linea pilota. Il prossimo passo consiste nel verificare l'affidabilità del sistema e migliorare le specifiche della batteria, parallelamente all'aumento della produzione.
Attualmente, le principali sfide che le celle elettrolitiche AEM devono affrontare sono la scarsa conduttività e resistenza alcalina dell'AEM, e l'aumento dei costi di produzione dei dispositivi elettrolitici dovuto all'utilizzo di elettrocatalizzatori a base di metalli preziosi. Allo stesso tempo, la CO2 che penetra nel film della cella riduce la resistenza del film e la resistenza dell'elettrodo, diminuendo di conseguenza le prestazioni elettrolitiche. Le future direzioni di sviluppo degli elettrolizzatori AEM sono le seguenti: 1. Sviluppare AEM con elevata conduttività, selettività ionica e stabilità alcalina a lungo termine. 2. Superare il problema dell'elevato costo dei catalizzatori a base di metalli preziosi, sviluppando catalizzatori ad alte prestazioni privi di metalli preziosi. 3. Attualmente, il costo obiettivo di un elettrolizzatore AEM è di 20 $/m2, che deve essere ridotto attraverso l'utilizzo di materie prime economiche e la riduzione delle fasi di sintesi, in modo da diminuire il costo complessivo dell'elettrolizzatore AEM. 4. Ridurre il contenuto di CO2 nella cella elettrolitica e migliorare le prestazioni elettrolitiche.
[1] Liu L,Kohl P A. Copolimeri multiblocco conduttori di anioni con diversi cationi legati[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Ionomeri di polistirene altamente quaternizzati per elettrolizzatori d'acqua a membrana a scambio anionico ad alte prestazioni[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 — 385.
Data di pubblicazione: 2 febbraio 2023