技术|AEM电解槽：如何理解其兼具PEM和ALK的优势？

2024-05-30 17:20

AEM电解槽因其膜特性，在结构上拥有更多选择。

传统大家熟知的电解槽分类主要为ALKPEMAEMSOEC等，其命名或是按照电解质或是按照膜材料类型。但如果只看各类电解槽采用的膜的性质来划分，则可分为大致有编织膜、离子膜、固体电解质3种。其中质子交换膜（PEM）与阴离子交换膜（AEM)两类，均为离子膜。

但AEM因其膜特性，它在结构上又拥有更多选择。一方面，AEM电解槽所采用的的AEM膜，与PEM膜具有相似的致密性、易负载性，故其在技术路线选择上既可以走PEM电解槽的膜电极式路线；另一方面，因其在碱液中导电性较好，也可以走类似ALK（本文中有时也会命名为“编织膜碱性电解槽”）的结构路线，因此在结构设计、催化剂等方面的选择面也更广、更具灵活性。

能景研究整理了AEM电解槽相关的技术特点以及其在规模化制氢方面的路线选择，阐述其因结构特点带来的差异化优势，供行业参考。但值得说明的是，目前技术仍处于早期，性能、寿命、可靠性也仍然面临着不确定性，尤其是膜的技术突破成为关键。

01 AEM膜电极式结构：类似PEM，但零部件可选面更多

AEM膜电极式结构是现阶段AEM电解槽的主流结构路线，如德国Enapter的EL4.0电解槽、国内亿纬氢能近期推出的100kW级AEM电解槽等采用此技术路线（技术细节或存在差异）。

AEM电解槽的膜电极式结构与PEM电解槽相似。主要由AEM膜电极、极板两部分组成。其中，AEM膜电极是决定AEM电解槽性能的最核心零部件，由阴阳极催化剂、AEM膜、阴阳极扩散层3部分结合在一起制成。

AEM膜电极式结构的工作原理与PEM电解槽相似。

AEM膜电极式可以使用纯水或碱性电解液，其中使用的碱性电解液的浓度可以较低（如5%KOH），起到提高导电性并维持两极非酸性环境的作用。AEM膜电极式工作时，水分子在膜电极的阴极被电还原成氢气，产生氢氧根，之后氢氧根通过AEM膜传输到阳极，在阳极氧化为氧气。

与PEM电解槽的区别在于，PEM电解槽使用纯水做电解液，工作时阳极呈现强酸性与强氧化性环境，并且透过离子膜的是氢离子而非氢氧根。

AEM膜电极式结构对零部件要求相较PEM电解槽更为宽松。

AEM隔膜及隔膜材料方面，AEM膜选用带有固定正电基团的、碳氢氮元素为主的高分子材料。而PEM膜材料选用带固定负电基团的、全氟化高分子材料。从材料元素上看，AEM膜相较PEM膜或更具降本潜力，但具体比较时还要看AEM膜所采用的技术路线、高分子原料种类及供应链、考虑实际寿命时的全生命周期成本。

AEM催化剂方面，有贵金属、非贵金属两大类选择。阴极可以采用铂、镍等析氢性能较高的材料。阳极有碱性电解液维持非酸性环境，可以采用钌、铱等贵金属材料，也可以采用镍等非贵金属材料。而且由于不像镍丝网电极一样需要喷镀或电镀，可以采用一些不易喷镀或电镀的纳米非贵金属材料，选择面或比PEM与编织膜碱性电解槽更广。

AEM扩散层及极板方面，对材料防氧化、防腐蚀的要求降低。在阴极侧，有碳毡、金属网或金属泡沫等选择，与PEM电解槽相似。在阳极侧，由于有碱性电解液维持非酸性环境，可以使用镍基等扩散层，不再局限于钛金属，同时可以使用镍镀层等代替PEM电解槽中的铂涂层。

能景研究认为，AEM电解槽膜电极式结构，在成本、波动响应速度等方面具有较高的提升优势及潜力。而其特色优势，更体现在可以与多种新型催化剂相适应的特点上，其非酸性环境、膜电极式负载，提供了应用实验室内高性能却不耐酸、不易镀的非贵金属纳米催化剂的机会。

但另一方面，材料类的开发非一朝一夕或短期内跃迁式突破可实现的，无论是膜材料、催化剂材料、整体结构，或仍需要更多时间去中试、去优化。

02 AEM非膜电极式结构：实现了ALK（即编织膜碱性电解槽）的高电密优化

部分AEM电解槽在设计上并未采用膜电极路线，而是采取了类似于ALK等（即编织膜碱性电解槽）的其它结构路线，如国内中电绿波在2023年推出的10kW级AEM电解槽等（技术细节或存在差异）。后文以类似编织膜碱性电解槽的结构为例展开（为方便，后称AEM独立电极式）。

AEM独立电极式结构与编织膜碱性电解槽类似。将编织膜替换为AEM膜，其他部分主要包括电极、极板、密封垫片等，或亦采用支撑网。为适应AEM的机械强度、厚度等特征，在支撑结构、流程等方面的设计进行相应设计，具体内部结构与编织膜碱性电解槽或存在差异。

AEM独立电极式结构的工作原理与ALK（编织膜碱性电解槽）相似。AEM独立电极式使用碱性电解液，浓度可以较低，至于使用纯水则在原理上并不可行。AEM独立电极式工作时，水分子在阴极电极被电还原成氢气，产生氢氧根，之后氢氧根通过电解液、AEM膜传输到阳极电极，在阳极电极氧化为氧气。与编织膜碱性电解槽的区别主要在膜的导电机理与气密性上。

AEM独立电极式结构对零部件要求与ALK（编织膜碱性电解槽）有细微差别。

AEM隔膜及隔膜材料方面，AEM膜为离子导电型的致密高分子材料。而编织膜由几乎不带离子导电性的纤维编织而成，通过磺化工艺提升亲水性，依靠细微空隙提供离子传输通道，在气密性与导电性之间存在一定的矛盾性。理论上AEM膜不依靠孔隙来提升导电性，气密性相较编织膜更高。

AEM电极方面，选型时倾向于高电流密度电极材料。其制氢催化剂主要负载在电极丝网上，与编织膜碱性电解槽的电极基本互通，也有镍基、多元合金、贵金属型等多种路线。但AEM电解槽在电极选型时，受膜等带来的内阻的干扰较小，有条件在控制电耗水平的前提下提高电流密度。

AEM极板、支撑网等方面，与编织膜碱性电解槽相似。由于工作环境相似，AEM独立电极式结构可以选用镀镍极板等，与编织膜碱性电解槽类似。但实际设计时会考虑AEM膜的厚度等设计密封、流场、支撑等结构。

能景研究认为，AEM独立电极式结构，本质上是编织膜碱性电解槽的换膜改造，通过膜的更换降低内阻，进一步提升电流密度以及波动响应速度。其能够延续编织膜碱性电解槽在电极等方面的技术积累，但在极板、辅助系统等方面也要有相应的适应设计。

能景研究认为，结构创新作为电解槽优化的重点方向之一，除以上2种路线之外，或还有厂家采用一些其他的创新设计，此处不做赘述。不同的结构设计，会展现出不同的性能、长期运行特性，在不同的应用场景下各自存在不同的需求。最终，或将呈现出多种路径并行的格局。

03 实现规模化制氢：采用堆叠式或选择大型化

AEM电解槽正由实验室走向实际项目生产，如何实现规模化制氢成为其产业转化的一大问题。从各厂家的产品来看，主要呈现出2种思路：

一是微型槽并联。比如单槽功率在2.5kW、制氢0.5标方/时左右的微型槽，集成可插拔式气液、电源接口制成微型模块，采用420余个微型模块达到1MW左右。该路线维护或相对方便，对AEM膜面积、强度以及电解槽的内部结构设计要求相对较低。缺点是水热管理等或不及大型槽，能效偏低，而且仪表、接口用量大，需要搭配高密度的小型服务器进行控制，成本较高。

二是单槽大型化。类似PEM电解槽，单槽实现达到100kW乃至1MW。该路线节约了配套成本，能效上也有一定优势。但后期维护需要整体拆检，成本较高，而且受限于AEM膜材料的宽幅、机械强度等，短期内或较难达到编织膜电解槽5MW的水平。