AEMWE電極新選擇 | 動量守恒CellularPTE?蜂窩電極發布

陰離子交換膜電解槽（AEMWE）作為一種新興的電解水制氫技術，以其無銥貴金屬、高安全性、適應可再生能源波動性以及相對低能耗等優勢，獲得了市場的關注和資本的青睞，有望成為未來最具潛力的電解水制氫技術。

對于AEMWE的關鍵部件-陽極電極，長久以來，受限于陰離子交換膜（AEM）機械強度弱、溶脹率高等特點，市場上主流的陽極制備路線為CCS路線，即將催化活性材料涂覆或者原位生長在鎳基金屬基底上，比如鎳網、泡沫鎳或者鎳氈（見圖1），得到多孔傳輸電極-PTE(porous transport electrode)。PTE在AEMWE內既可以發揮電催化活性作用，同時又具備氣液交換功能。

圖1 鎳網(a)、泡沫鎳(b)與鎳氈(c)對比

動量守恒在自主研發的鎳基直通孔結構多孔傳輸層（Ni SP-PTLTM）技術基礎上，經過超一年產品開發，歷經多輪實驗優化與性能驗證，近日成功實現了高一致性自支撐鎳基多孔傳輸電極（Ni-PTE）的穩定批量制備，并已成功申請商標CellularPTE?，意為：蜂窩電極，精準地傳達了該種電極的結構特征。該蜂窩電極產品面向AEMWE陽極端，可有效提升產氫效率與系統耐久性，有望成為AEMWE領域的一項關鍵技術突破。

圖2  (A)Ni SP-PTLTM與(B)鎳氈的表面微觀形貌

一、CellularPTE?蜂窩電極形貌與結構特點

我司本次發布的蜂窩電極，采用物理和化學方法相結合的技術，催化層分布均勻、產品一致性高，且因操作簡單易得，當前已實現100mm*100mm規格的批量生產（50片/批次），具有良好的規模化制備潛力，產品具體如圖3a所示。

圖3 電極的(a)光學照片、(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。得益于獨特的催化層生長工藝，在無需引入聚合物的情況下，催化層與基底緊密結合（如圖3c所示，在300W功率超聲10分鐘后未能觀察到明顯的質量損失）。該電極結構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，該產品最大可制備尺寸為220mm*220mm，年內可進一步擴大尺寸規格至400mm*600mm。

二、CellularPTE?蜂窩電極性能與穩定性

根據公司測試，蜂窩電極產品在與多款商業化AEM膜的匹配測試中均展現出優異性能與耐久性。如下圖4（a)，以該電極作為陽極，搭配商業AEM膜1的電解槽性能達2.6 A/cm2@2.0 V，搭配商業AEM膜2則達到3.2 A/cm2@2.0 V。同時，得益于基材特殊結構與獨創制備工藝，產品在不同尺寸下均保持了良好的一致性和可重復性。

在超過1000小時的穩定性測試中（1 A/cm2恒流條件），蜂窩電極搭配商業AEM膜1和商業AEM膜2的電勢衰減率分別為18.6 μV/h和35.2 μV/h（見圖4b），也展現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、無毛邊毛刺等特有結構特性和優勢，在裝配過程中，蜂窩電極能較好的保護AEM膜等其他組件，配合多層不銹鋼鍍鎳網作為陽極流場，表現更優。

圖4  蜂窩電極搭配兩款商業AEM的(a)極化曲線與(b)穩定性測試曲線

三、技術趨勢與應用前景

盡管當前AEM膜受限于材料本征特性，在壽命方面尚無法與質子交換膜（PEM）媲美，但由于對貴金屬的依賴度很小，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+陰陽極流場、GDE等組件的使用壽命更長，且易于與AEM膜進行分離。在此背景下，我司提出PTE一體化電極策略，并結合可拆卸更換AEM膜組件的電解槽設計方案（如圖5），有望通過模塊化設計實現AEM膜的便捷更換，延長系統運行周期，使得AEMWE系統壽命未來可接近或達到PEM電解槽同等水平。如此，將可顯著增強AEMWE技術的競爭力，進一步推動綠氫制備的降本。

圖5  AEM電解池的拆解圖