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、穩定的陰離子交換膜對實現AEM電解水制氫技術的商業化應用十分關鍵。

近日，穩石氫能宣布將在2023年底完成搭建自主研發的陰離子交換膜產線并實現小規模生產。據GGII不完全統計，國內研發生產、銷售AEM電解槽的企業已超過5家，包括：億緯氫能、穩石氫能、北京未來氫能、北京中電綠波、臥龍集團等。這些企業或選擇自主研發生產陰離子交換膜，或引進、購買進口陰離子交換膜，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電解槽的穩定性、壽命、功率以及成本，陰離子交換膜的進化之路將極大影響AEM制氫技術的發展進程。

AEM電解槽穩定性與壽命如何提升？

AEM技術結合了堿性電解水技術的低成本材料體系和PEM制氫技術的動態響應特性，有望為大規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，陰離子交換膜承擔著傳遞陰離子，阻隔氣體滲透，分隔正負兩極的任務，是決定AEM電解槽性能的關鍵部件。

由于在AEM電解設備中，局部區域會出現高堿性，理想條件下，陰離子交換膜具備優秀的化學和機械穩定性，能夠配合非貴金屬催化劑實現高電導率和大電流密度。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十年的研究應用歷史，但在AEM制氫方向的研究應用于近10年才開始大規模展開。現階段陰離子交換膜最合適的材料仍未找到。在堿性環境下，陰離子交換膜會出現離子傳導率較低和耐堿穩定性較弱等問題。

根據多方研究機構實驗發現，陰離子交換膜含有芳醚基團的聚合物在堿性環境中長期運行時，會逐漸降解，影響AEM電解水設備的穩定性和系統壽命。

另一方面，陰離子交換膜傳導性能劣于質子交換膜，為提升OH-在陰離子交換膜中的傳導作用，需制備更薄的膜，但厚度降低又會影響膜的機械穩定性，導致膜穿孔現象發生。

陰離子交換膜無法同時兼顧性能和使用壽命的缺點為業界所詬病。為了獲得高性能、長壽命的陰離子交換膜用于電解水技術，一些企業利用增加有機陽離子功能基團位阻效應以及研發非芳醚聚合物主鏈陰離子交換膜等方式進行了改進。

在以聚苯并咪唑為基礎的陰離子交換膜上，通過在主體分子 2-苯基的兩個鄰位引入甲基增加 C2 位置的空間位阻，增加了 OH-離子進攻咪唑唑鎓分子C2 位置的難度，降低了聚苯并咪唑主體結構降解的可能，大幅提升了膜的堿穩定性。

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技術，交聯后的 2-苯基基團構成了更大的局域環境，增加了C2位置的電子密度，進一步提升了OH-離子的進攻難度，保證了成膜穩定性。

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

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。有研究機構開發了基于聚(芴—co—三聯苯—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性和耐用性，具有超過2000小時運行的優秀耐久性，并實現了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。

億緯氫能的技術團隊來自武漢大學的博士團隊，研發主要集中在非芳醚聚芳烴類陰離子交換膜的關鍵材料上。該企業目前根據離子交換強度和厚度已推出了兩種型號陰離子交換膜產品。

AEM電解槽如何實現大功率、低成本？

目前國內已推出AEM電解槽以小功率為主，集中在0.25-10kW。受限于當前AEM制氫功率過小，AEM電解水制氫技術尚無實際應用在大型綠氫項目中。

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

在現有技術水平的相同功率下，AEM電解槽總體積遠超堿性電解槽和PEM電解槽。AEM電解槽下一步的進化方向，必然是向高功率發展。

而導致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制氫設備企業技術總監表示，受限于陰離子交換膜幅寬的現有大小，目前AEM電解槽個體的功率只能做到10kW。下一步，如果要把AEM電解槽個體做到100kW，就要將陰離子交換膜的幅寬繼續做大。

高工氫電發現，由于起步較晚，受限于工藝、設備等方面的原因，目前國產陰離子交換膜的幅寬在20cm-40cm之間，并計劃向60cm邁進。而進口品牌離子交換膜的幅寬已達到、甚至超過60cm，并計劃推出近100cm的產品。北京中電綠波相關負責人透露，該公司使用進口離子交換膜，已經向市場推出了50kW的AEM電解槽成熟產品。

盡管進口陰離子交換膜在生產和驗證方面先于國產陰離子交換膜一步，但國產膜在成本方面則占據相當大的優勢，國產陰離子交換膜的成本還不到進口膜的一半。基于國產陰離子交換膜的未來發展，億緯氫能、穩石氫能、北京未來氫能等企業都計劃在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業化的進步，售價還會降低。億緯氫能總經理汪瀛表示，該企業陰離子交換膜實現量產后，成本僅占電解槽總成本的20%左右。未來隨著AEM電解槽市場的擴大，AEM電解槽的價格僅為相同功率PEM電解槽產品的三分之一左右。

整體來看，AEM還是一項前沿技術，真實情況還有待市場驗證，距離大規模商業化還有一段路要走。隨著中國氫能產業示范應用和商業模式探索，AEM制氫產業有望在未來幾年內實現快速發展。