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Der Charme von Anionenaustauschmembranen: Wie kann man die traditionelle Elektrolysetechnologie kostengünstig herausfordern?
In der aktuellen Ära der Energiewende ist die Frage, wie Wasserstoff effektiv und wirtschaftlich produziert werden kann, zu einem Bereich geworden, den viele Forscher weiterhin erforschen. Unter den zahlreichen Elektrolysetechnologien hat die Elektrolysetechnologie mit Anionenaustauschmembranen (AEM) aufgrund ihres Potenzials niedriger Kosten und hoher Effizienz große Beachtung gefunden. Das Hauptmerkmal dieser Technologie ist die Verwendung einer semipermeablen Membran zur Leitung von Hydroxidionen (OH−). Dieser Membrantyp kann effektiv einen Ionenaustausch durchführen und gleichzeitig Produkte isolieren und für elektrische Isolierung sorgen.
Die Wasserelektrolysetechnologie mit Anionenaustauschmembranen erfordert keine teuren Edelmetallkatalysatoren, sondern kann kostengünstige Übergangsmetallkatalysatoren verwenden, was die Wirtschaftlichkeit großtechnischer Anwendungen erheblich verbessert.
Vorteile und Herausforderungen
Vorteile
Der größte Vorteil der AEM-Elektrolyse besteht darin, dass sie die Eigenschaften der alkalischen Wasserelektrolyse (AWE) und der Protonenaustauschmembranelektrolyse (PEM) kombiniert. Die AEM-Technologie kann nicht nur Nichtedelmetallkatalysatoren (wie Ni, Fe, Co usw.) verwenden, sondern auch in reinem Wasser oder leicht alkalischen Lösungen betrieben werden, was dazu beiträgt, das Risiko von Leckagen zu verringern.
Die Betriebskosten von AEM sind deutlich niedriger als die der für die PEM-Elektrolyse erforderlichen Edelmetallkatalysatoren wie Platin und Ruthenium, was es zu einer praktikableren Alternative macht.
Zusätzlich zu den Kostenvorteilen kann die AEM-Elektrolysetechnologie in einem weiten Betriebsbereich betrieben werden und das Kreuzverlustproblem von Wasserstoff effektiv reduzieren, wobei der Wasserstoffverlust sogar unter 0,4 % kontrolliert wird. Dies verbessert nicht nur die Effizienz des Systems, sondern erhöht auch die Sicherheit.
Herausforderung
Obwohl die AEM-Elektrolysetechnologie viele Vorteile bietet, befindet sie sich noch im frühen Forschungsstadium und steht vor vielen Herausforderungen. Eine der größten Herausforderungen ist die Haltbarkeit der Membran. Verglichen mit der Lebensdauer des PEM-Elektrolyse-Stacks von 20.000 bis 80.000 Stunden beträgt die Lebensdauer des AEM-Elektrolyseurs nur etwa 2.000 Stunden, was den Umfang seiner kommerziellen Anwendung einschränkt.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist die Verbesserung der Leitfähigkeit und Haltbarkeit von Membranen zum Schwerpunkt der aktuellen Forschung geworden.
Darüber hinaus weisen AEMs eine unzureichende Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen auf und sind häufig nicht in der Lage, Temperaturen über 60 °C standzuhalten, was ein potenzielles Hindernis für den Betrieb großer Elektrolysesysteme darstellt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, stabile Membranmaterialien zu finden, die Umgebungen mit hohem pH-Wert und hohen Temperaturen standhalten können.
Wissenschaftliche Prinzipien
Reaktion
Im Prozess der AEM-Elektrolyse sind die Sauerstofferzeugungsreaktion (OER) und die Wasserstofferzeugungsreaktion (HER) wichtige Reaktionsschritte. Diese Reaktionen müssen höhere Energiebarrieren überwinden, insbesondere bei Reaktionen zur Sauerstofferzeugung, die aufgrund des mehrstufigen Reaktionsprozesses zu einem erhöhten Überpotential führen.
Effiziente Katalysatoren können das OER-Überpotential reduzieren und dadurch die Gesamtleistung von AEM-Elektrolyseuren verbessern.
Anionenaustauschmembran
Das Design von Anionenaustauschmembranen ist entscheidend für ihre Leistung. Typischerweise verwenden Forscher quartäres Ammonium (QA) als Hauptbindungsgruppe der Membran, aber diese Art von Gruppe wird in einer alkalischen Umgebung leicht abgebaut, sodass ein Bedarf besteht, stabilere Alternativen wie Imidazolgruppen zu finden.
Membran-Elektroden-Kombination
Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ist die Kernkomponente des AEM-Elektrolyseurs und besteht aus Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten sowie einer Zwischenmembranschicht. Das Design und die Vorbereitungsmethode der Katalysatorschicht wirken sich direkt auf die Effizienz und Leistung des Elektrolyseurs aus.
Generell bedeutet das Aufkommen der Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolysetechnologie eine Revolution in der Elektrolysetechnologie. Es verbessert nicht nur die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion, sondern verringert auch die Umweltbelastung und läutet die Zukunft erneuerbarer Energien ein. Wie wird die zukünftige Wasserstoffenergieindustrie diese neue Technologie als Grundstein für breitere Anwendungen nutzen?
