阴离子交换膜（AEM）电解槽现状以及降低研发成本的方法

AEM 电解槽是一种很有前途的低温制氢技术。AEM 电解槽在低温下运行，使用固体聚合物膜在电极之间传输氢氧根离子（下图1）。AEM 电解槽的设计旨在结合 PEM 和 LA 电解槽的优点：碱性环境可以使用非贵金属催化剂和价格较低的金属双极板，而膜可以实现压差操作和比传统 LA 电解槽更高的电流密度。由于膜的固有碱性，可以向电解槽输入纯水而不是碱性电解质，尽管目前的技术在输入碱性电解质时性能更好，耐用性更高。目前正在进行研究，以优化电解质进料配置和其他组件，实现高效率和耐用性。

目前正在进行更全面的技术经济分析，以估算大规模生产 AEM 电解槽的潜在制造系统成本。尽管它们仍处于较低的 TRL 阶段，目前也没有进行大批量商业化生产，但初步结果表明，AEM 电解槽在产量相对较低（约 20 MW/年）时的成本可能约为 200 $/KW，而一旦达到较高的产量（约 300 MW/年），最终的成本可能会更低。这种低成本潜力主要归功于 AEM 电解槽设计中较低的材料成本（例如，使用不锈钢等非贵金属催化剂和廉价膜）。另AEM本质上也归类于LA（液碱类）电解技术，所以整体对于未来中长期的一些指标都可以参照LA的，具体如下表1：

该技术的潜力已得到证实，但要与现有技术竞争，AEM 电解槽仍需大力开发，以提高稳定性和性能，同时保持低成本。由于材料成本较低，假定能达到类似的效率和耐用性目标，AEM 电解槽的系统成本最终可能低于 PEM 电解槽。AEM 电解槽的商业开发可能会受益于为 PEM和 LA电解槽开发的系统设计（包括 BOP）和大规模制造技术，利用两种类型电解槽通用的工艺和设备降低成本。下表2 概述了 AEM 电解槽的优先研发领域，下文将提供更详细的说明。

1、材料和部件

研发化学性质和热稳定性高的膜和离子传导性高的离子聚合物，可延长电堆寿命，从而实现可靠的 AEM 电解水的部署。离子聚合物是膜的聚合物骨架，也是电极中的催化剂粘合剂。离子聚合物具有离子传导性能，既可作为电池的电解质，也可作为进出活性催化剂位点的离子运输工具。这些材料会在膜和催化剂层中降解失效（如通过氧化反应等），从而缩短电解池的使用寿命。碱性交换离子聚合物和膜的关键设计参数包括快速氢氧根离子传输、低化学降解率和热稳定性。要了解电解质对膜和离子膜稳定性的影响，还需要进行更多的研究。

通过增强催化剂活性、提高催化剂利用率和优化电解质条件，可以提高电解池和电堆效率。AEM 电解槽对催化剂的需求与 LA 电解槽类似。目前正在研究几种不含 PGM 的材料作为析氢和析氧催化剂。与 LA 电解槽一样，镍或镍合金是常用的催化剂材料，但其他催化剂类别也在研究之中。在全电池配置中对不含 PGM 催化剂的测试还很有限。由于催化剂分层和/或离子膜脱落的原因，将催化剂加入到同时含有离子膜的电极结构中具有挑战性。了解电极的耐久性与离子膜、催化剂、离子膜/催化剂界面和支撑电解质的关系是一项重大挑战，需要开展更多研究，以提高 AEM 电解槽的耐久性和性能。

2、电解单元和电解槽

与 LA 电解槽相比，AEM 电解槽的一个潜在优势是可以使用纯水电解液，而不是浓碱性电解液。然而，如果在进水中加入低浓度的支撑电解质（例如，<0.5M KOH 或 Na₂CO₃），则可显著提高性能和耐用性。需要从根本上更好地了解支撑电解液对 AEM 电解池、组件和材料性能及耐用性的影响，以确定能否缩小纯水和支撑电解质运行之间的性能和耐用性差距。通过这些研究，可以更好地量化性能（即效率和耐用性）与成本（即原料和维护）之间的权衡。最终，是向电解槽提供纯水还是低浓度电解液的决定将基于电解槽整个使用寿命期间的整体经济效益。

要实现商业可行性，AEM 电解槽需要对膜电极组件的制造进行精心优化。催化剂涂层膜技术（类似于 PEM 电解槽中使用CCM的技术）是一种制造方法。然而，将这种方法应用于 AEM 电解槽存在一系列问题。PEM 电极设计中使用的热压技术不能用于当前的 AEM 电解槽材料，因为它会损坏膜和/或电极。以催化剂涂层和膜为基础的电解池可能会出现催化剂层脱层、膜降解、离子膜降解、气相演化导致膜干燥以及与电流收集器失去电接触等问题。改进膜和催化剂层之间的界面工程，以及优化电极结构和组件，可以缓解这些问题。

3、系统（BOP）

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：阴离子交换膜（AEM）电解槽现状以及降低研发成本的方法