一張膜影響了AEM制氫的未來

陰離子交換膜是AEM電解槽的核心組件，高效、穩(wěn)定的陰離子交換膜對實(shí)現(xiàn)AEM電解水制氫技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用十分關(guān)鍵。

近日，穩(wěn)石氫能宣布將在2023年底完成搭建自主研發(fā)的陰離子交換膜產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)GGII不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)、銷售AEM電解槽的企業(yè)已超過5家，包括：億緯氫能、穩(wěn)石氫能、北京未來氫能、北京中電綠波、臥龍集團(tuán)等。這些企業(yè)或選擇自主研發(fā)生產(chǎn)陰離子交換膜，或引進(jìn)、購買進(jìn)口陰離子交換膜，但無一例外都把這張膜視為重中之重。

陰離子交換膜的性能直接影響了AEM電解槽的穩(wěn)定性、壽命、功率以及成本，陰離子交換膜的進(jìn)化之路將極大影響AEM制氫技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

AEM電解槽穩(wěn)定性與壽命如何提升？

AEM技術(shù)結(jié)合了堿性電解水技術(shù)的低成本材料體系和PEM制氫技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，有望為大規(guī)模可再生能源電解制氫帶來突破性變革。在AEM電解水制氫過程中，陰離子交換膜承擔(dān)著傳遞陰離子，阻隔氣體滲透，分隔正負(fù)兩極的任務(wù)，是決定AEM電解槽性能的關(guān)鍵部件。

由于在AEM電解設(shè)備中，局部區(qū)域會出現(xiàn)高堿性，理想條件下，陰離子交換膜具備優(yōu)秀的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，能夠配合非貴金屬催化劑實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率和大電流密度。而且，陰離子交換膜通常選用聚合物作為其主要材料，與PEM制氫用的全氟磺酸質(zhì)子交換膜相比，成本相對低廉，易于市場推廣。

盡管陰離子交換膜AEM在脫鹽、電去離子或電滲析等方向已有數(shù)十年的研究應(yīng)用歷史，但在AEM制氫方向的研究應(yīng)用于近10年才開始大規(guī)模展開。現(xiàn)階段陰離子交換膜最合適的材料仍未找到。在堿性環(huán)境下，陰離子交換膜會出現(xiàn)離子傳導(dǎo)率較低和耐堿穩(wěn)定性較弱等問題。

根據(jù)多方研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陰離子交換膜含有芳醚基團(tuán)的聚合物在堿性環(huán)境中長期運(yùn)行時(shí)，會逐漸降解，影響AEM電解水設(shè)備的穩(wěn)定性和系統(tǒng)壽命。

另一方面，陰離子交換膜傳導(dǎo)性能劣于質(zhì)子交換膜，為提升OH-在陰離子交換膜中的傳導(dǎo)作用，需制備更薄的膜，但厚度降低又會影響膜的機(jī)械穩(wěn)定性，導(dǎo)致膜穿孔現(xiàn)象發(fā)生。

陰離子交換膜無法同時(shí)兼顧性能和使用壽命的缺點(diǎn)為業(yè)界所詬病。為了獲得高性能、長壽命的陰離子交換膜用于電解水技術(shù)，一些企業(yè)利用增加有機(jī)陽離子功能基團(tuán)位阻效應(yīng)以及研發(fā)非芳醚聚合物主鏈陰離子交換膜等方式進(jìn)行了改進(jìn)。

在以聚苯并咪唑?yàn)榛A(chǔ)的陰離子交換膜上，通過在主體分子 2-苯基的兩個(gè)鄰位引入甲基增加 C2 位置的空間位阻，增加了 OH-離子進(jìn)攻咪唑唑鎓分子C2 位置的難度，降低了聚苯并咪唑主體結(jié)構(gòu)降解的可能，大幅提升了膜的堿穩(wěn)定性。

此外，除修飾聚苯并咪唑主體分子外，該類方法的制作過程還采用了交聯(lián)技術(shù)，交聯(lián)后的 2-苯基基團(tuán)構(gòu)成了更大的局域環(huán)境，增加了C2位置的電子密度，進(jìn)一步提升了OH-離子的進(jìn)攻難度，保證了成膜穩(wěn)定性。

目前北京未來氫能、加拿大Ionomr 公司等均采用該類技術(shù)，Ionomr根據(jù)離子交換強(qiáng)度和厚度已推出了四種型號陰離子交換膜產(chǎn)品。

近年來，有大量的科研人員致力于非芳醚聚芳烴類陰離子交換膜的研究。有研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了基于聚(芴—co—三聯(lián)苯—N,N′—二甲基哌啶鎓)(PFTP-13)的陰離子交換材料，在堿性條件下具有高離子傳導(dǎo)性和耐用性，具有超過2000小時(shí)運(yùn)行的優(yōu)秀耐久性，并實(shí)現(xiàn)了7.68A/cm?的新電池性能記錄，是原有陰離子交換材料性能的六倍。

億緯氫能的技術(shù)團(tuán)隊(duì)來自武漢大學(xué)的博士團(tuán)隊(duì)，研發(fā)主要集中在非芳醚聚芳烴類陰離子交換膜的關(guān)鍵材料上。該企業(yè)目前根據(jù)離子交換強(qiáng)度和厚度已推出了兩種型號陰離子交換膜產(chǎn)品。

AEM電解槽如何實(shí)現(xiàn)大功率、低成本？

目前國內(nèi)已推出AEM電解槽以小功率為主，集中在0.25-10kW。受限于當(dāng)前AEM制氫功率過小，AEM電解水制氫技術(shù)尚無實(shí)際應(yīng)用在大型綠氫項(xiàng)目中。

近日，有消息德國Enapter 于2023年5月24日對外展示了全球首個(gè)MW級AEM電解槽—AEM Multicore將用于綠氫制備。然而該系統(tǒng)實(shí)際為420個(gè)0.5Nm?/h個(gè)體電解槽并聯(lián)合成。根據(jù)該公司公布的0.5Nm?/h個(gè)體電解槽體積數(shù)據(jù)，每個(gè)體積約為0.09m?，那么該MW級AEM電解槽總體積至少要超過38m?，如果再加上相關(guān)配套裝置，總體積將超過一個(gè)40英寸的集裝箱。

在現(xiàn)有技術(shù)水平的相同功率下，AEM電解槽總體積遠(yuǎn)超堿性電解槽和PEM電解槽。AEM電解槽下一步的進(jìn)化方向，必然是向高功率發(fā)展。

而導(dǎo)致AEM電解槽功率較小的重要原因就是陰離子交換膜的幅寬。一位AEM制氫設(shè)備企業(yè)技術(shù)總監(jiān)表示，受限于陰離子交換膜幅寬的現(xiàn)有大小，目前AEM電解槽個(gè)體的功率只能做到10kW。下一步，如果要把AEM電解槽個(gè)體做到100kW，就要將陰離子交換膜的幅寬繼續(xù)做大。

高工氫電發(fā)現(xiàn)，由于起步較晚，受限于工藝、設(shè)備等方面的原因，目前國產(chǎn)陰離子交換膜的幅寬在20cm-40cm之間，并計(jì)劃向60cm邁進(jìn)。而進(jìn)口品牌離子交換膜的幅寬已達(dá)到、甚至超過60cm，并計(jì)劃推出近100cm的產(chǎn)品。北京中電綠波相關(guān)負(fù)責(zé)人透露，該公司使用進(jìn)口離子交換膜，已經(jīng)向市場推出了50kW的AEM電解槽成熟產(chǎn)品。

盡管進(jìn)口陰離子交換膜在生產(chǎn)和驗(yàn)證方面先于國產(chǎn)陰離子交換膜一步，但國產(chǎn)膜在成本方面則占據(jù)相當(dāng)大的優(yōu)勢，國產(chǎn)陰離子交換膜的成本還不到進(jìn)口膜的一半。基于國產(chǎn)陰離子交換膜的未來發(fā)展，億緯氫能、穩(wěn)石氫能、北京未來氫能等企業(yè)都計(jì)劃在2025年左右推出單體MW級AEM電解槽。

陰離子交換膜的成本還直接影響著AEM電解槽的成本，陰離子交換膜最高可占到AEM電解槽總體成本的60%左右。隨著陰離子交換膜產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)步，售價(jià)還會降低。億緯氫能總經(jīng)理汪瀛表示，該企業(yè)陰離子交換膜實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，成本僅占電解槽總成本的20%左右。未來隨著AEM電解槽市場的擴(kuò)大，AEM電解槽的價(jià)格僅為相同功率PEM電解槽產(chǎn)品的三分之一左右。

整體來看，AEM還是一項(xiàng)前沿技術(shù)，真實(shí)情況還有待市場驗(yàn)證，距離大規(guī)模商業(yè)化還有一段路要走。隨著中國氫能產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用和商業(yè)模式探索，AEM制氫產(chǎn)業(yè)有望在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。