AEM is tot op zekere hoogte een hybride van PEM en traditionele elektrolyse met loog via een membraan. Het principe van een AEM-elektrolysecel wordt weergegeven in figuur 3. Aan de kathode wordt water gereduceerd tot waterstof en OH⁻. OH⁻ stroomt door het membraan naar de anode, waar het recombineert tot zuurstof.
Li et al. [1-2] bestudeerden een hoogwaardige waterelektrolyzer met een sterk gequaterniseerd polystyreen- en polyfenyleen-AEM-membraan. De resultaten toonden aan dat de stroomdichtheid 2,7 A/cm² bedroeg bij 85 °C en een spanning van 1,8 V. Bij gebruik van NiFe en PtRu/C als katalysatoren voor waterstofproductie daalde de stroomdichtheid aanzienlijk tot 906 mA/cm². Chen et al. [5] bestudeerden de toepassing van een zeer efficiënte elektrolytische katalysator van niet-edele metalen in een alkalische polymeerfilm-elektrolyzer. NiMo-oxiden werden gereduceerd met H₂/NH₃, NH₃, H₂ en N₂-gassen bij verschillende temperaturen om elektrolytische waterstofproductiekatalysatoren te synthetiseren. De resultaten tonen aan dat de NiMo-NH₃/H₂-katalysator met H₂/NH₃-reductie de beste prestaties levert, met een stroomdichtheid tot 1,0 A/cm² en een energieomzettingsrendement van 75% bij 1,57 V en 80 °C. Evonik Industries heeft, voortbouwend op haar bestaande gasseparatiemembraantechnologie, een gepatenteerd polymeermateriaal ontwikkeld voor gebruik in AEM-elektrolytcellen en breidt momenteel de membraanproductie uit op een pilotlijn. De volgende stap is het verifiëren van de betrouwbaarheid van het systeem en het verbeteren van de batterijspecificaties, terwijl de productie wordt opgeschaald.
Momenteel zijn de belangrijkste uitdagingen voor AEM-elektrolysecellen het gebrek aan hoge geleidbaarheid en alkalibestendigheid van het AEM-membraan, en de edelmetaal-elektrokatalysator die de productiekosten van elektrolytische apparaten verhoogt. Tegelijkertijd zal CO2 dat in de celfilm terechtkomt de filmweerstand en de elektrodeweerstand verlagen, waardoor de elektrolytische prestaties afnemen. De toekomstige ontwikkelingsrichting van AEM-elektrolyzers is als volgt: 1. Ontwikkeling van een AEM-membraan met hoge geleidbaarheid, ionselectiviteit en langdurige alkalistabiliteit. 2. Het probleem van de hoge kosten van edelmetaalkatalysatoren overwinnen en een katalysator ontwikkelen zonder edelmetaal en met hoge prestaties. 3. De huidige streefkosten voor AEM-elektrolyzers bedragen $ 20/m², die verlaagd moeten worden door het gebruik van goedkope grondstoffen en minder synthesestappen, om zo de totale kosten van AEM-elektrolyzers te verlagen. 4. Het CO2-gehalte in de elektrolytische cel verlagen en de elektrolytische prestaties verbeteren.
[1] Liu L, Kohl P A. Aniongeleidende multiblock-copolymeren met verschillende gekoppelde kationen[J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Sterk gequaterniseerde polystyreen-ionomeren voor hoogwaardige anionenuitwisselingsmembraan-waterelektrolysers[J]. Nature Energy, 2020, 5: 378 — 385.
Geplaatst op: 2 februari 2023