前几天，稳石氢能发布了国内首款AEM电解槽，官方宣称综合成本可媲美碱性电解槽。
AEM是固体聚合物阴离子交换膜（Anion Exchange Membrane）电解水的简称。AEM电解水技术降本空间巨大，是目前较为前沿的电解水技术之一，也是未来绿氢大规模应用的首选技术之一。但是全世界只有极少数的公司在尝试将其商业化，相关的应用和示范项目也很少。
今天带大家了解AEM电解水制氢系统的关键材料和技术发展情况。
AEM电解水技术结合了碱性电解水技术和PEM电解水技术的优点。相比碱性电解水技术，AEM技术具有更快的响应速度和更高的电流密度；而相比PEM电解水技术，AEM技术的制造成本更低。
如图所示，设备运行时，原料水从AEM设备的阴极侧进入。水分子在阴极参与还原反应并得到电子，生成氢氧根离子和氢气。氢氧根离子通过聚合物阴离子交换膜到达阳极后，参与氧化反应并失去电子，生成水和氧气。根据设备设计的不同，有时会在原料水中加入一定量的KOH溶液或者NaHCO3溶液作为辅助电解质，这有助于提高AEM电解设备的工作效率。
AEM电解池是组成AEM电解系统的基本单位。多个AEM电解池一起组成了AEM电解模块。大量的AEM电解模块和多个辅助系统一起，构成了AEM电解水系统。其中，辅助体统包括氢气处理和干燥系统、水箱、水处理净化系统和交流直流转换器等等。
AEM电解池：阴极材料、阳极材料和阴离子交换膜是AEM电解池的核心构成，直接影响着AEM电解池的工作效率和设备寿命等。
阴离子交换膜是AEM电解池中最重要的部分，直接决定着AEM电解设备的工作效率和运行寿命。阴离子交换膜的作用是将氢氧根离子从阴极传导至阳极。因此，构成阴离子交换膜的材料需要具备较高的阴离子传导性和极低的电子传导性。
由于在AEM电解设备中，局部区域会出现高碱性，理想条件下，阴离子交换膜需要具备优秀的化学和机械稳定性。与此同时，为了隔绝阴极和阳极，防止氢气和氧气相互接触产生爆炸，阴离子交换膜必须具备极低的气体渗透性。
目前的阴离子交换膜通常选用聚合物作为其主要材料。由于AEM电解水技术还处于研发阶段，现阶段仍未找到最合适的材料，在研发中使用较多的有芳香族聚合物。
1、芳香族聚合物在碱性环境中长期运行时，尤其是在加入了稀KOH溶液作为辅助电解质的情况下，会慢慢被降解，影响AEM电解水设备的稳定性和系统寿命；
2、由于氢氧根离子在阴离子交换膜中的传导性比质子交换膜中的传导性低的多，为了保持AEM电解池的工作效率，研发机构倾向于制作更薄的阴离子交换膜，以减少氢氧根离子传导时受到的阻力，但这也会降低阴离子交换膜的机械稳定性，使它容易出现空洞。
阴极材料和阳极材料的主要作用是催化水的分解反应，并将产生的氢气与氧气及时输出。因此，阴极和阳极材料必须具备较强的催化活性和多孔性。为了电极反应的顺利进行，阴极和阳极材料必须具备较高的阴离子传导性和电子传导性。
现阶段使用最多的阴极材料主要是镍，阳极材料主要是镍铁合金。铁和镍不但对水的分解有较强的催化活性，而且来源广、成本低。由于AEM不需要在高腐蚀性的环境下运行，因此阴阳极材料中不需要加入钌元素等贵金属催化剂和钛。这大大降低了AEM设备的制造成本。
目前开发的阴离子交换膜仍然无法兼顾工作效率和设备寿命。因此，有关AEM的研究主要聚焦于开发合适高效的聚合物阴离子交换膜。其次，在实验室研发阶段，电极材料中仍然会加入少量的贵金属。因此，开发低成本的高效非贵金属催化剂也是AEM研究的重点之一。
目前有关AEM电解水技术的示范项目非常有限，大多仍处于研究阶段。
2020年，AEM系统制造公司Enapter和国际化学公司赢创(Evonik)等公司牵头，开展了名为CHANNEL的研究项目。项目各方以赢创公司最新开发的阴离子交换膜为基础，研发低成本高效率的2KW AEM电解水设备，希望可以最终将设备成本控制在600欧元每KW以下（约4400元每KW）。
国内的情况是，稳石氢能在本次推出2.5kW单体电解槽产品和集成系统后，将在今年向规模化发展，计划推出10kW单体电解槽产品；到2024年，稳石氢能将推出100kW单体电解槽产品及1MW电解槽系统集成项目；到2025年，稳石氢能则将推出1MW单体电解槽产品。
据悉，北京未来氢能可生产包括阴离子交换膜、金属双极板、催化剂、膜电极制备、电解槽装配与系统集成等全套产业链。目前的产品主要应用在小型制氢示范项目中，国内一家大型央企已采购了公司一台单槽3 Nm³/h的AEM电解水系统。
还有清华大学、吉林大学、山东东岳集团、山东天维膜技术有限公司进行了阴离子交换膜研制相关工作，中科院大连化物所重点开展了催化剂的研发工作，中船718所开展了AEM电解槽的集成与基础研发工作。
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：AEM电解水制氢系统的关键材料和技术现状
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