AEM電解槽因其膜特性，在結(jié)構(gòu)上擁有更多選擇。

傳統(tǒng)大家熟知的電解槽分類主要為ALKPEMAEMSOEC等，其命名或是按照電解質(zhì)或是按照膜材料類型。但如果只看各類電解槽采用的膜的性質(zhì)來(lái)劃分，則可分為大致有編織膜、離子膜、固體電解質(zhì)3種。其中質(zhì)子交換膜（PEM）與陰離子交換膜（AEM)兩類，均為離子膜。

但AEM因其膜特性，它在結(jié)構(gòu)上又擁有更多選擇。一方面，AEM電解槽所采用的的AEM膜，與PEM膜具有相似的致密性、易負(fù)載性，故其在技術(shù)路線選擇上既可以走PEM電解槽的膜電極式路線；另一方面，因其在堿液中導(dǎo)電性較好，也可以走類似ALK（本文中有時(shí)也會(huì)命名為“編織膜堿性電解槽”）的結(jié)構(gòu)路線，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、催化劑等方面的選擇面也更廣、更具靈活性。

能景研究整理了AEM電解槽相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)以及其在規(guī)模化制氫方面的路線選擇，闡述其因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來(lái)的差異化優(yōu)勢(shì)，供行業(yè)參考。但值得說(shuō)明的是，目前技術(shù)仍處于早期，性能、壽命、可靠性也仍然面臨著不確定性，尤其是膜的技術(shù)突破成為關(guān)鍵。

01 AEM膜電極式結(jié)構(gòu)：類似PEM，但零部件可選面更多

AEM膜電極式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段AEM電解槽的主流結(jié)構(gòu)路線，如德國(guó)Enapter的EL4.0電解槽、國(guó)內(nèi)億緯氫能近期推出的100kW級(jí)AEM電解槽等采用此技術(shù)路線（技術(shù)細(xì)節(jié)或存在差異）。

AEM電解槽的膜電極式結(jié)構(gòu)與PEM電解槽相似。主要由AEM膜電極、極板兩部分組成。其中，AEM膜電極是決定AEM電解槽性能的最核心零部件，由陰陽(yáng)極催化劑、AEM膜、陰陽(yáng)極擴(kuò)散層3部分結(jié)合在一起制成。

AEM膜電極式結(jié)構(gòu)的工作原理與PEM電解槽相似。

AEM膜電極式可以使用純水或堿性電解液，其中使用的堿性電解液的濃度可以較低（如5%KOH），起到提高導(dǎo)電性并維持兩極非酸性環(huán)境的作用。AEM膜電極式工作時(shí)，水分子在膜電極的陰極被電還原成氫氣，產(chǎn)生氫氧根，之后氫氧根通過(guò)AEM膜傳輸?shù)疥?yáng)極，在陽(yáng)極氧化為氧氣。

與PEM電解槽的區(qū)別在于，PEM電解槽使用純水做電解液，工作時(shí)陽(yáng)極呈現(xiàn)強(qiáng)酸性與強(qiáng)氧化性環(huán)境，并且透過(guò)離子膜的是氫離子而非氫氧根。

AEM膜電極式結(jié)構(gòu)對(duì)零部件要求相較PEM電解槽更為寬松。

AEM隔膜及隔膜材料方面，AEM膜選用帶有固定正電基團(tuán)的、碳?xì)涞�元素為主的高分子材料。而PEM膜材料選用帶固定負(fù)電基團(tuán)的、全氟化高分子材料。從材料元素上看，AEM膜相較PEM膜或更具降本潛力，但具體比較時(shí)還要看AEM膜所采用的技術(shù)路線、高分子原料種類及供應(yīng)鏈、考慮實(shí)際壽命時(shí)的全生命周期成本。

AEM催化劑方面，有貴金屬、非貴金屬兩大類選擇。陰極可以采用鉑、鎳等析氫性能較高的材料。陽(yáng)極有堿性電解液維持非酸性環(huán)境，可以采用釕、銥等貴金屬材料，也可以采用鎳等非貴金屬材料。而且由于不像鎳絲網(wǎng)電極一樣需要噴鍍或電鍍，可以采用一些不易噴鍍或電鍍的納米非貴金屬材料，選擇面或比PEM與編織膜堿性電解槽更廣。

AEM擴(kuò)散層及極板方面，對(duì)材料防氧化、防腐蝕的要求降低。在陰極側(cè)，有碳?xì)�、金屬網(wǎng)或金屬泡沫等選擇，與PEM電解槽相似。在陽(yáng)極側(cè)，由于有堿性電解液維持非酸性環(huán)境，可以使用鎳基等擴(kuò)散層，不再局限于鈦金屬，同時(shí)可以使用鎳鍍層等代替PEM電解槽中的鉑涂層。

能景研究認(rèn)為，AEM電解槽膜電極式結(jié)構(gòu)，在成本、波動(dòng)響應(yīng)速度等方面具有較高的提升優(yōu)勢(shì)及潛力。而其特色優(yōu)勢(shì)，更體現(xiàn)在可以與多種新型催化劑相適應(yīng)的特點(diǎn)上，其非酸性環(huán)境、膜電極式負(fù)載，提供了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高性能卻不耐酸、不易鍍的非貴金屬納米催化劑的機(jī)會(huì)。

但另一方面，材料類的開(kāi)發(fā)非一朝一夕或短期內(nèi)躍遷式突破可實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論是膜材料、催化劑材料、整體結(jié)構(gòu)，或仍需要更多時(shí)間去中試、去優(yōu)化。

02 AEM非膜電極式結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)了ALK（即編織膜堿性電解槽）的高電密優(yōu)化

部分AEM電解槽在設(shè)計(jì)上并未采用膜電極路線，而是采取了類似于ALK等（即編織膜堿性電解槽）的其它結(jié)構(gòu)路線，如國(guó)內(nèi)中電綠波在2023年推出的10kW級(jí)AEM電解槽等（ 技術(shù)細(xì)節(jié)或存在差異）。后文以類似編織膜堿性電解槽的結(jié)構(gòu)為例展開(kāi)（為方便，后稱AEM獨(dú)立電極式）。

AEM獨(dú)立電極式結(jié)構(gòu)與編織膜堿性電解槽類似。將編織膜替換為AEM膜，其他部分主要包括電極、極板、密封墊片等，或亦采用支撐網(wǎng)。為適應(yīng)AEM的機(jī)械強(qiáng)度、厚度等特征，在支撐結(jié)構(gòu)、流程等方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與編織膜堿性電解槽或存在差異。

AEM獨(dú)立電極式結(jié)構(gòu)的工作原理與ALK（編織膜堿性電解槽）相似。AEM獨(dú)立電極式使用堿性電解液，濃度可以較低，至于使用純水則在原理上并不可行。AEM獨(dú)立電極式工作時(shí)，水分子在陰極電極被電還原成氫氣，產(chǎn)生氫氧根，之后氫氧根通過(guò)電解液、AEM膜傳輸?shù)疥?yáng)極電極，在陽(yáng)極電極氧化為氧氣。與編織膜堿性電解槽的區(qū)別主要在膜的導(dǎo)電機(jī)理與氣密性上。

AEM獨(dú)立電極式結(jié)構(gòu)對(duì)零部件要求與ALK（編織膜堿性電解槽）有細(xì)微差別。

AEM隔膜及隔膜材料方面，AEM膜為離子導(dǎo)電型的致密高分子材料。而編織膜由幾乎不帶離子導(dǎo)電性的纖維編織而成，通過(guò)磺化工藝提升親水性，依靠細(xì)微空隙提供離子傳輸通道，在氣密性與導(dǎo)電性之間存在一定的矛盾性。理論上AEM膜不依靠孔隙來(lái)提升導(dǎo)電性，氣密性相較編織膜更高。

AEM電極方面，選型時(shí)傾向于高電流密度電極材料。其制氫催化劑主要負(fù)載在電極絲網(wǎng)上，與編織膜堿性電解槽的電極基本互通，也有鎳基、多元合金、貴金屬型等多種路線。但AEM電解槽在電極選型時(shí)，受膜等帶來(lái)的內(nèi)阻的干擾較小，有條件在控制電耗水平的前提下提高電流密度。

AEM極板、支撐網(wǎng)等方面，與編織膜堿性電解槽相似。由于工作環(huán)境相似，AEM獨(dú)立電極式結(jié)構(gòu)可以選用鍍鎳極板等，與編織膜堿性電解槽類似。但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮AEM膜的厚度等設(shè)計(jì)密封、流場(chǎng)、支撐等結(jié)構(gòu)。

能景研究認(rèn)為，AEM獨(dú)立電極式結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是編織膜堿性電解槽的換膜改造，通過(guò)膜的更換降低內(nèi)阻，進(jìn)一步提升電流密度以及波動(dòng)響應(yīng)速度。其能夠延續(xù)編織膜堿性電解槽在電極等方面的技術(shù)積累，但在極板、輔助系統(tǒng)等方面也要有相應(yīng)的適應(yīng)設(shè)計(jì)。

能景研究認(rèn)為，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新作為電解槽優(yōu)化的重點(diǎn)方向之一，除以上2種路線之外，或還有廠家采用一些其他的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，此處不做贅述。不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)展現(xiàn)出不同的性能、長(zhǎng)期運(yùn)行特性，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下各自存在不同的需求。最終，或?qū)⒊尸F(xiàn)出多種路徑并行的格局。

03 實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�制氫：采用堆疊式或選擇大型化

AEM電解槽正由實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H項(xiàng)目生產(chǎn)，如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制氫成為其產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的一大問(wèn)題。從各廠家的產(chǎn)品來(lái)看，主要呈現(xiàn)出2種思路：

一是微型槽并聯(lián)。比如單槽功率在2.5kW、制氫0.5標(biāo)方/時(shí)左右的微型槽，集成可插拔式氣液、電源接口制成微型模塊，采用420余個(gè)微型模塊達(dá)到1MW左右。該路線維護(hù)或相對(duì)方便，對(duì)AEM膜面積、強(qiáng)度以及電解槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相對(duì)較低。缺點(diǎn)是水熱管理等或不及大型槽，能效偏低，而且儀表、接口用量大，需要搭配高密度的小型服務(wù)器進(jìn)行控制，成本較高。

二是單槽大型化。類似PEM電解槽，單槽實(shí)現(xiàn)達(dá)到100kW乃至1MW。該路線節(jié)約了配套成本，能效上也有一定優(yōu)勢(shì)。但后期維護(hù)需要整體拆檢，成本較高，而且受限于AEM膜材料的寬幅、機(jī)械強(qiáng)度等，短期內(nèi)或較難達(dá)到編織膜電解槽5MW的水平。

能景研究認(rèn)為，在AEM膜材料仍未實(shí)現(xiàn)突破或經(jīng)過(guò)長(zhǎng)壽命可靠性驗(yàn)證的階段，短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)上或仍將圍繞微型槽并聯(lián)或10到100kW左右的中小型槽體進(jìn)行驗(yàn)證，逐漸過(guò)渡提升到MW級(jí)。

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來(lái)源：能景研究作者：新云

END

       原文標(biāo)題 : 技術(shù)|AEM電解槽：如何理解其兼具PEM和ALK的優(yōu)勢(shì)？