一张膜影响了AEM制氢的未来

阴离子交换膜是AEM电解槽的核心组件，高效、稳定的阴离子交换膜对实现AEM电解水制氢技术的商业化应用十分关键。

近日，稳石氢能宣布将在2023年底完成搭建自主研发的阴离子交换膜产线并实现小规模生产。据GGII不完全统计，国内研发生产、销售AEM电解槽的企业已超过5家，包括：亿纬氢能、稳石氢能、北京未来氢能、北京中电绿波、卧龙集团等。这些企业或选择自主研发生产阴离子交换膜，或引进、购买进口阴离子交换膜，但无一例外都把这张膜视为重中之重。

阴离子交换膜的性能直接影响了AEM电解槽的稳定性、寿命、功率以及成本，阴离子交换膜的进化之路将极大影响AEM制氢技术的发展进程。

AEM电解槽稳定性与寿命如何提升？

AEM技术结合了碱性电解水技术的低成本材料体系和PEM制氢技术的动态响应特性，有望为大规模可再生能源电解制氢带来突破性变革。在AEM电解水制氢过程中，阴离子交换膜承担着传递阴离子，阻隔气体渗透，分隔正负两极的任务，是决定AEM电解槽性能的关键部件。

由于在AEM电解设备中，局部区域会出现高碱性，理想条件下，阴离子交换膜具备优秀的化学和机械稳定性，能够配合非贵金属催化剂实现高电导率和大电流密度。而且，阴离子交换膜通常选用聚合物作为其主要材料，与PEM制氢用的全氟磺酸质子交换膜相比，成本相对低廉，易于市场推广。

尽管阴离子交换膜AEM在脱盐、电去离子或电渗析等方向已有数十年的研究应用历史，但在AEM制氢方向的研究应用于近10年才开始大规模展开。现阶段阴离子交换膜最合适的材料仍未找到。在碱性环境下，阴离子交换膜会出现离子传导率较低和耐碱稳定性较弱等问题。

根据多方研究机构实验发现，阴离子交换膜含有芳醚基团的聚合物在碱性环境中长期运行时，会逐渐降解，影响AEM电解水设备的稳定性和系统寿命。

另一方面，阴离子交换膜传导性能劣于质子交换膜，为提升OH-在阴离子交换膜中的传导作用，需制备更薄的膜，但厚度降低又会影响膜的机械稳定性，导致膜穿孔现象发生。

阴离子交换膜无法同时兼顾性能和使用寿命的缺点为业界所诟病。为了获得高性能、长寿命的阴离子交换膜用于电解水技术，一些企业利用增加有机阳离子功能基团位阻效应以及研发非芳醚聚合物主链阴离子交换膜等方式进行了改进。

在以聚苯并咪唑为基础的阴离子交换膜上，通过在主体分子 2-苯基的两个邻位引入甲基增加 C2 位置的空间位阻，增加了 OH-离子进攻咪唑唑鎓分子C2 位置的难度，降低了聚苯并咪唑主体结构降解的可能，大幅提升了膜的碱稳定性。

此外，除修饰聚苯并咪唑主体分子外，该类方法的制作过程还采用了交联技术，交联后的 2-苯基基团构成了更大的局域环境，增加了C2位置的电子密度，进一步提升了OH-离子的进攻难度，保证了成膜稳定性。

目前北京未来氢能、加拿大Ionomr 公司等均采用该类技术，Ionomr根据离子交换强度和厚度已推出了四种型号阴离子交换膜产品。

近年来，有大量的科研人员致力于非芳醚聚芳烃类阴离子交换膜的研究。有研究机构开发了基于聚(芴—co—三联苯—N,N′—二甲基哌啶鎓)(PFTP-13)的阴离子交换材料，在碱性条件下具有高离子传导性和耐用性，具有超过2000小时运行的优秀耐久性，并实现了7.68A/cm?的新电池性能记录，是原有阴离子交换材料性能的六倍。

亿纬氢能的技术团队来自武汉大学的博士团队，研发主要集中在非芳醚聚芳烃类阴离子交换膜的关键材料上。该企业目前根据离子交换强度和厚度已推出了两种型号阴离子交换膜产品。

AEM电解槽如何实现大功率、低成本？

目前国内已推出AEM电解槽以小功率为主，集中在0.25-10kW。受限于当前AEM制氢功率过小，AEM电解水制氢技术尚无实际应用在大型绿氢项目中。

近日，有消息德国Enapter 于2023年5月24日对外展示了全球首个MW级AEM电解槽—AEM Multicore将用于绿氢制备。然而该系统实际为420个0.5Nm?/h个体电解槽并联合成。根据该公司公布的0.5Nm?/h个体电解槽体积数据，每个体积约为0.09m?，那么该MW级AEM电解槽总体积至少要超过38m?，如果再加上相关配套装置，总体积将超过一个40英寸的集装箱。

在现有技术水平的相同功率下，AEM电解槽总体积远超碱性电解槽和PEM电解槽。AEM电解槽下一步的进化方向，必然是向高功率发展。

而导致AEM电解槽功率较小的重要原因就是阴离子交换膜的幅宽。一位AEM制氢设备企业技术总监表示，受限于阴离子交换膜幅宽的现有大小，目前AEM电解槽个体的功率只能做到10kW。下一步，如果要把AEM电解槽个体做到100kW，就要将阴离子交换膜的幅宽继续做大。

高工氢电发现，由于起步较晚，受限于工艺、设备等方面的原因，目前国产阴离子交换膜的幅宽在20cm-40cm之间，并计划向60cm迈进。而进口品牌离子交换膜的幅宽已达到、甚至超过60cm，并计划推出近100cm的产品。北京中电绿波相关负责人透露，该公司使用进口离子交换膜，已经向市场推出了50kW的AEM电解槽成熟产品。

尽管进口阴离子交换膜在生产和验证方面先于国产阴离子交换膜一步，但国产膜在成本方面则占据相当大的优势，国产阴离子交换膜的成本还不到进口膜的一半。基于国产阴离子交换膜的未来发展，亿纬氢能、稳石氢能、北京未来氢能等企业都计划在2025年左右推出单体MW级AEM电解槽。

阴离子交换膜的成本还直接影响着AEM电解槽的成本，阴离子交换膜最高可占到AEM电解槽总体成本的60%左右。随着阴离子交换膜产业化的进步，售价还会降低。亿纬氢能总经理汪瀛表示，该企业阴离子交换膜实现量产后，成本仅占电解槽总成本的20%左右。未来随着AEM电解槽市场的扩大，AEM电解槽的价格仅为相同功率PEM电解槽产品的三分之一左右。

整体来看，AEM还是一项前沿技术，真实情况还有待市场验证，距离大规模商业化还有一段路要走。随着中国氢能产业示范应用和商业模式探索，AEM制氢产业有望在未来几年内实现快速发展。