AEMWE電極新選擇 | 動(dòng)量守恒CellularPTE?蜂窩電極發(fā)布

陰離子交換膜電解槽（AEMWE）作為一種新興的電解水制氫技術(shù)，以其無(wú)銥貴金屬、高安全性、適應(yīng)可再生能源波動(dòng)性以及相對(duì)低能耗等優(yōu)勢(shì)，獲得了市場(chǎng)的關(guān)注和資本的青睞，有望成為未來(lái)最具潛力的電解水制氫技術(shù)。

對(duì)于AEMWE的關(guān)鍵部件-陽(yáng)極電極，長(zhǎng)久以來(lái)，受限于陰離子交換膜（AEM）機(jī)械強(qiáng)度弱、溶脹率高等特點(diǎn)，市場(chǎng)上主流的陽(yáng)極制備路線為CCS路線，即將催化活性材料涂覆或者原位生長(zhǎng)在鎳基金屬基底上，比如鎳網(wǎng)、泡沫鎳或者鎳氈（見(jiàn)圖1），得到多孔傳輸電極-PTE(porous transport electrode)。PTE在AEMWE內(nèi)既可以發(fā)揮電催化活性作用，同時(shí)又具備氣液交換功能。

圖1 鎳網(wǎng)(a)、泡沫鎳(b)與鎳氈(c)對(duì)比

動(dòng)量守恒在自主研發(fā)的鎳基直通孔結(jié)構(gòu)多孔傳輸層（Ni SP-PTLTM）技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)超一年產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，歷經(jīng)多輪實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與性能驗(yàn)證，近日成功實(shí)現(xiàn)了高一致性自支撐鎳基多孔傳輸電極（Ni-PTE）的穩(wěn)定批量制備，并已成功申請(qǐng)商標(biāo)CellularPTE?，意為：蜂窩電極，精準(zhǔn)地傳達(dá)了該種電極的結(jié)構(gòu)特征。該蜂窩電極產(chǎn)品面向AEMWE陽(yáng)極端，可有效提升產(chǎn)氫效率與系統(tǒng)耐久性，有望成為AEMWE領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破。

圖2  (A)Ni SP-PTLTM與(B)鎳氈的表面微觀形貌

一、CellularPTE?蜂窩電極形貌與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

我司本次發(fā)布的蜂窩電極，采用物理和化學(xué)方法相結(jié)合的技術(shù)，催化層分布均勻、產(chǎn)品一致性高，且因操作簡(jiǎn)單易得，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)100mm*100mm規(guī)格的批量生產(chǎn)（50片/批次），具有良好的規(guī)模化制備潛力，產(chǎn)品具體如圖3a所示。

圖3 電極的(a)光學(xué)照片、(b)局部放大的掃描電鏡照片及(c)PTE超聲前后的重量對(duì)比

如圖3b所示電鏡圖，蜂窩電極表面催化劑呈納米片狀，均勻分布在于Ni SP-PTLTM上。得益于獨(dú)特的催化層生長(zhǎng)工藝，在無(wú)需引入聚合物的情況下，催化層與基底緊密結(jié)合（如圖3c所示，在300W功率超聲10分鐘后未能觀察到明顯的質(zhì)量損失）。該電極結(jié)構(gòu)顯著提高了催化劑的利用率及其在高電流密度下的電子傳輸能力，從而能有效提升電解槽整體電解效率。目前，該產(chǎn)品最大可制備尺寸為220mm*220mm，年內(nèi)可進(jìn)一步擴(kuò)大尺寸規(guī)格至400mm*600mm。

二、CellularPTE?蜂窩電極性能與穩(wěn)定性

根據(jù)公司測(cè)試，蜂窩電極產(chǎn)品在與多款商業(yè)化AEM膜的匹配測(cè)試中均展現(xiàn)出優(yōu)異性能與耐久性。如下圖4（a)，以該電極作為陽(yáng)極，搭配商業(yè)AEM膜1的電解槽性能達(dá)2.6 A/cm2@2.0 V，搭配商業(yè)AEM膜2則達(dá)到3.2 A/cm2@2.0 V。同時(shí)，得益于基材特殊結(jié)構(gòu)與獨(dú)創(chuàng)制備工藝，產(chǎn)品在不同尺寸下均保持了良好的一致性和可重復(fù)性。

在超過(guò)1000小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試中（1 A/cm2恒流條件），蜂窩電極搭配商業(yè)AEM膜1和商業(yè)AEM膜2的電勢(shì)衰減率分別為18.6 μV/h和35.2 μV/h（見(jiàn)圖4b），也展現(xiàn)了良好的耐久性與可靠性。

此外，得益于Ni  SP-PTLTM的表面平整度高、厚度公差小、無(wú)毛邊毛刺等特有結(jié)構(gòu)特性和優(yōu)勢(shì)，在裝配過(guò)程中，蜂窩電極能較好的保護(hù)AEM膜等其他組件，配合多層不銹鋼鍍鎳網(wǎng)作為陽(yáng)極流場(chǎng)，表現(xiàn)更優(yōu)。

圖4  蜂窩電極搭配兩款商業(yè)AEM的(a)極化曲線與(b)穩(wěn)定性測(cè)試曲線

三、技術(shù)趨勢(shì)與應(yīng)用前景

盡管當(dāng)前AEM膜受限于材料本征特性，在壽命方面尚無(wú)法與質(zhì)子交換膜（PEM）媲美，但由于對(duì)貴金屬的依賴(lài)度很小，因此成本方面具有顯著潛力。

考慮到AEM膜雖存在耐久性短板，但Ni-PTE、雙極板+陰陽(yáng)極流場(chǎng)、GDE等組件的使用壽命更長(zhǎng)，且易于與AEM膜進(jìn)行分離。在此背景下，我司提出PTE一體化電極策略，并結(jié)合可拆卸更換AEM膜組件的電解槽設(shè)計(jì)方案（如圖5），有望通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)AEM膜的便捷更換，延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行周期，使得AEMWE系統(tǒng)壽命未來(lái)可接近或達(dá)到PEM電解槽同等水平。如此，將可顯著增強(qiáng)AEMWE技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步推動(dòng)綠氫制備的降本。

圖5  AEM電解池的拆解圖