AEM电解水制氢简述

随着国内外一些AEM产品的陆续发布，AEM电解水技术似乎在业内又有了一些热度。尽管前面文章至少有三篇已经简单科普过AEM的特点或者进展。今天还是再次更新一些AEM的相关知识供大家了解和理解AEM。

详见下文：

在低温电解水范畴内，PEMEL 和传统 AEL 技术目前占主导地位。传统的 AEL 采用厚度为 0.5-2 毫米的隔膜和多孔结构，以尽量减少气体交叉渗透。在过去的 10 年中，阴离子交换膜（AEM）电解槽已经问世，它结合了 AEL（低成本材料）和 PEM（高性能）的优点（图1）。

图1：AEL、AEMEL 和 PEMEL 的电流-电位曲线比较。

AEL技术在技术上比较成熟，已在工业中使用了几十年。然而，其性能仅限于低电流密度和小电流密度范围，而且通常需要在循环回路中泵送浓度为 6 摩尔/升的浓 KOH。KOH 溶液具有腐蚀性，难以密封（蠕变）。相比之下，PEMEL 克服了上述大部分限制，是一种多功能设备，具有系统设计紧凑、响应速度快、动态运行、过载能力强以及电压效率高等优点。然而，高昂的投资成本（CAPEX）可能会限制 EMEL 的大规模使用。这主要是由钛双极板和使用铂族材料的 CCM 造成的。此外，作为 PEM 电解槽唯一技术上可行的阳极催化剂，铱的稀缺将长期阻碍在地球上的TW级规模化生产部署。AEM 电解槽是一项相对较新的技术，这得益于组件材料的快速发展，尤其是 AEM，过去，AEM 在离子交换能力和稳定性方面一直是一个关键问题。AEM 电解槽的优势包括 ：

⦿与 PEMEL 相比，它不需要昂贵的电催化剂和带有贵金属涂层的钛元件。

⦿与传统的 AEL 相比，它们不需要高浓度的 KOH 电解液作为起始材料，去离子水和低浓度的 KOH 及其他类型的盐类都是无腐蚀性的电解液。

⦿根据膜的不同，AEM 可以对氢气侧进行加压，从而从系统角度提高该技术的效率。

阴离子交换膜水电解（AEMEL）最重要的优点是电极不使用贵金属催化剂，可促进 HER 或 OER。非贵金属基纳米颗粒，如 Ni、NiMo 和 NiP 通常用作阴极催化剂，而 NiFe -Oxy氢氧化物、NiFe2O4 、CuCoOx 和 Ni/CeO2-La2O3/C 通常用作阳极。有些研究甚至将贵金属催化剂 Pt/C 和 IrO2/IrOx 分别用作阴极和阳极催化剂，从而实现了极高的电池性能。

为了生产出高性能的MEA，膜和电催化剂必须在三相边界上进行优化反应，并实现高效的介质、离子和电子传输。为 PEMEL 开发的类似涂层技术也可用于 AEMEL。也可以利用丝网印刷技术生产出用于 PEMEL 的高性能 MEA，并减少贵金属催化剂的覆盖范围。CCM 和催化剂涂层基底 (CCS) 技术都可用于 AEM 电解技术，并可采用各种涂层方法，包括湿喷、干喷、刮刀、丝网印刷和超声波喷涂等。关于 CCM 和 CCS 工艺用在 AEM中的比较发现，与 CCS 方法相比，用 CCM 方法生产的 AEM 电解槽电极具有更高的离子迁移效率。如碳纸上沉积的镍铁钴（NiFeCo）纳米粒子为阴极，以烧结不锈钢纤维上的镍铁氧化物（NiFe2O4）粒子为阳极，在 60 °C ，1 A/cm2的电流密度下，电池电压达到了 1.9 V。一般来说，AEM 电解池在使用浓度为 sl M 的 KOH 且电极不含 PGM 催化剂（铂族催化剂）的情况下，电流密度为 1 A/cm"s 时，输出电压约为 2 V。所以可以得出结论，AEMEL 是替代昂贵的 PEMEL 的一种很有前途的方法。

AEMEL 的另一个关键方面是膜。它在离子传导性、化学稳定性、机械性能和尺寸方面对电池性能起着至关重要的作用。Tokuyama A201（日本 Tokuyama 公司）、Fumatech FAA 系列（德国 Fumatech 公司）和 Sustainion 膜（美国 Dioxide Material 公司）是这一领域应用测试最多的膜。最近，为了提高阳离子聚合物的碱性稳定性，人们探索了几种策略，包括在苯并咪唑环的 C2 位周围具有立体阻碍的二烷基化聚（苯并咪唑），以延缓氢氧根离子的侵蚀速度。后者在 80°C 的 1 M 氢氧化物溶液中长期稳定。

目前可用的材料已经在离子传导性和稳定性方面取得了初步成功。除了选定的催化剂和膜之外，AEM 的性能在很大程度上取决于 KOH 的浓度。虽然开发 AEMEL 技术的目的是使其具备在纯水中运行的能力，但在去离子水中实现的性能仍然乏善可陈（注意去离子水和纯水的区别）。要有系统地进行改进，就必须强调损失机制。在这种情况下，Razmjooei 等人使用带有镍基合金电极和NEOSEPTA膜（来自日本ASTOM亚斯通阴离子交换膜）的CCS 设计 AEM，在0.1至1.0M KOH 溶液中对电池进行了系统测试。阻抗结果显示，在所有损耗中，膜的欧姆电阻是在低 KOH 条件下运行的最大限制因素，也是在0.5A/cm2 的高电流密度下对 KOH 浓度变化最敏感的因素。催化剂的活化损失只在较低电流密度时才占主导地位。从下图2 中可以看出这一点。

图2：在 65°C 下，在 0.10 至 1.0 M KOH 浓度的 KOH 中对 AEMWE 进行电化学测试

备注说明：

(A) 极化曲线，

(B) 0.25 A/cm2 时 ElS 测量的奈奎斯特图（从 100 kHz 到 100 mHz），

(C) 0.5 A/cm2 时的 EIS。

总结：目前国内外已经有不少AEM产品推出，单模块最大在10KW左右，以国内几家企业宣传的产品来看参数指标还算不错，但真实的情况还未知，实际工程应用效果也还未知。国外市场AEM产品也几乎是一家独大。整体来看，AEM在性能、耐久度以及工程实际应用效果还需要给大家展示更多的真实数据，才能研判这个技术路线的实际进展和对未来一些预判。