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Vom wissenschaftlichen Labor zur industriellen Anwendung: Welche Auswirkungen wird der Durchbruch der AEM-Elektrolysetechnologie haben?
Im Zuge des weltweiten Trends zur Nutzung erneuerbarer Energien erhält die Anwendung von Wasserstoffenergie immer mehr Aufmerksamkeit. Bei der Erzeugung von Wasserstoffenergie hat die AEM-Elektrolysetechnologie (Anionenaustauschmembran) große Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Industrie auf sich gezogen. Die AEM-Elektrolysetechnologie mit ihrer einzigartigen Reaktionsmethode und relativ geringen Kosten erweitert potenzielle Anwendungsszenarien auf häufigere industrielle Anwendungen.
Der Kernbestandteil der AEM-Elektrolysetechnologie ist eine Anionenaustauschmembran, die Hydroxidionen (OH−) leiten und Produkte effektiv zwischen Elektroden isolieren kann, um eine elektrische Isolierung zu gewährleisten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Protonenaustauschmembranen (PEMs) bieten AEMs die Möglichkeit, kostengünstige Übergangsmetallkatalysatoren zu verwenden, anstatt sich auf teure Edelmetallkatalysatoren wie Platin oder Germanium zu verlassen.
Die AEM-Elektrolysetechnologie senkt nicht nur die Produktionskosten, sondern sorgt auch für eine überlegene Elektrolyseeffizienz.
Vorteile und Herausforderungen
Vorteile
Ein herausragender Vorteil der AEM-Elektrolysetechnologie besteht darin, dass sie die Vorteile der alkalischen Wasserelektrolyse und der Protonenaustauschmembranelektrolyse kombiniert. In einer alkalischen Umgebung kann der Einsatz von Nichtedelmetallkatalysatoren wie Ni und Fe die Kosten erheblich senken. Darüber hinaus kann die AEM-Elektrolysetechnologie in relativ reinem Wasser oder leicht alkalischen Lösungen betrieben werden, was das Risiko von Lecks verringert. Darüber hinaus wurde in einem Forschungsbericht darauf hingewiesen, dass die Betriebsspannung des AEM-Elektrolysesystems ohne Edelmetallkatalysatoren deutlich niedriger ist als bei anderen Elektrolysetechnologien, was die Machbarkeit seiner industriellen Anwendung verbessert.
Darüber hinaus ist das AEM so konzipiert, dass es während des Betriebs einen Wasserstoff-Crossover-Überschuss von weniger als 0,4 % aufrechterhält. Dies bedeutet, dass es in puncto Sicherheit tendenziell überlegen ist und das Risiko von Explosionen durch versehentliches Vermischen von Gasen verringert.
Im Vergleich zu herkömmlichen Protonenaustauschmembranen ist der Produktionsprozess von AEM umweltfreundlich, kostengünstiger und erfordert keine Verwendung giftiger Chemikalien.
Herausforderung
Obwohl die AEM-Elektrolysetechnologie ein gutes Entwicklungspotenzial aufweist, steht sie noch vor vielen Herausforderungen. Derzeit befindet sich AEM noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, und im Vergleich zur ausgereiften alkalischen Wasserelektrolysetechnologie ist die Literatur relativ rar. Bei AEM-Elektrolysegeräten für Verbraucher ist das Haltbarkeitsproblem der Membran besonders ausgeprägt. Die Lebensdauer vieler Geräte kann kaum 2.000 Stunden überschreiten, während die Lebensdauer von PEM 20.000 bis 80.000 Stunden erreicht.
Da AEM-Membranen über 60 °C nur eine geringe Haltbarkeit aufweisen, ist die Entwicklung von Membranen, die in Umgebungen mit hohem pH-Wert und hohen und mittleren Temperaturen betrieben werden können, einer der Schwerpunkte künftiger Forschung. Die Verbesserung der Ionenleitfähigkeit und der Membranhaltbarkeit wird ein wichtiger Schlüssel für die groß angelegte Anwendung von AEM sein.
Wissenschaftliche Prinzipien
Zu den Kernreaktionen der AEM-Technologie gehört die Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff, und diese Reaktionen müssen auf wirksamen Katalysatoren basieren. Der Prozess der Sauerstofferzeugungsreaktion ist relativ komplex und erfordert die Beteiligung mehrerer Hydroxidionen und Elektronen. Daher ist die Gesamteffizienz aufgrund vieler Reaktionsschritte und hoher Energiebarrieren begrenzt.
Die Verbesserung der Effizienz des Katalysators wird ein wichtiger Aspekt sein, um die Elektrolyseleistung von AEM in Zukunft zu verbessern.
Membran-Elektroden-Baugruppe
Das Design der Membran-Elektroden-Anordnung ist entscheidend für die Wirksamkeit der AEM-Elektrolyse. Diese Komponenten bestehen üblicherweise aus Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten und einer dazwischenliegenden Membranschicht. Das Design der Katalysatorschicht und die Auswahl der Materialien spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Elektrolyseeffizienz. Zu den gängigen Materialien gehören Nickel und Titan, die einen stabilen Träger für den Katalysator bieten.
Schlussfolgerung
Insgesamt bietet die AEM-Elektrolysetechnologie erhebliche Vorteile bei der Kostensenkung, der Verbesserung der Effizienz und der Sicherheit. Allerdings steht es immer noch vor Herausforderungen in Bezug auf Haltbarkeit und technologische Reife. Wenn diese Hindernisse überwunden werden können, wird die AEM-Technologie ein größeres Potenzial für die Produktion und Anwendung von Wasserstoffenergie haben. Kann die AEM-Elektrolysetechnologie in Zukunft in verschiedenen Industrieszenarien umfassend eingesetzt werden und kann sie zur globalen Transformation erneuerbarer Energien beitragen?
