在能源需求增加和自然資源匱乏的背景下，氫能技術被視為能源轉型的新希望。氫氣既是化學工業(yè)的關鍵原材料，也可作為一種無碳燃料，用于工業(yè)、交通領域?！熬G色制氫”指利用可再生能源發(fā)電，通過水電解制得氫能。這是一種綠色、清潔的能源生產(chǎn)方式，可以實現(xiàn)能源生產(chǎn)的“去碳化”。然而，相比大部分工業(yè)制氫采用的碳基能源（例如甲烷）蒸汽重整工藝，綠色制氫的成本居高不下。盡管利用可再生能源發(fā)電的成本較低，但電解槽的投資成本相對高昂。
離子交換膜是電解槽的核心部件，對電解效率和電解可靠性至關重要。目前，贏創(chuàng)成功開發(fā)了一種新型陰離子交換膜（AEM），有望突破綠色制氫的現(xiàn)有瓶頸?！皯{借這一創(chuàng)新膜技術，我們希望實現(xiàn)綠色制氫的商業(yè)化，并使其具備經(jīng)濟效益和高效率?！壁A創(chuàng)戰(zhàn)略創(chuàng)新部門Creavis，負責膜技術創(chuàng)新的Oliver Conradi表示。
現(xiàn)有技術的缺陷
堿性水電解制氫（AEL）是現(xiàn)有工藝中應用最廣泛的一種。在高濃度氫氧化鉀溶液中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應。在陰極，水分子在陰極分解成氫離子（H+）和氫氧離子（OH-），氫離子與來自陰極的電子結合形成氫氣，氫氧離子則到達陽極，生成氧氣和水。為了確保分隔開反應產(chǎn)物，避免其重新結合引起爆炸，在電解槽的陽極與陰極之間需設置一層隔膜。為了讓氣體通過，AEL采用多孔結構的隔膜，因而限制了設備在受壓條件下的操作。為了方便存儲或運輸，制成的氫氣需進行壓縮，因此會產(chǎn)生額外的能源消耗。此外，多孔膜僅適用低電流密度，即每平方厘米的膜表面最多可承受600毫安電流。
另一項技術是質子交換膜（PEM）電解制氫。在這一技術中，質子交換膜不僅用于分隔反應產(chǎn)物，還可以使電解池的設計更緊湊，因其由導電聚合物組成，而電極位于膜的兩側，待電解的水流經(jīng)陽極，產(chǎn)生的氫離子從陽極側穿過質子交換膜到達陰極，在陰極反應后生成氫氣分子。相比AEL系統(tǒng)，PEM電解槽不僅能承受更高的電流密度，還能應對更大的負載波動。由于這一技術可以在受壓條件下實現(xiàn)，后續(xù)氫氣壓縮所消耗的能量也更少。盡管PEM系統(tǒng)在技術上具有一定優(yōu)勢，但投資成本極其高昂?！癙EM在酸性條件下反應，電解系統(tǒng)的材料必須具備優(yōu)異的耐腐蝕性能，且需要鉑、銥等貴金屬制成的催化劑；而電解小室必須由鈦甚至鉑鈦制成?！?Conradi解釋。
高產(chǎn)量，低成本
與AEL或PEM工藝相比，贏創(chuàng)的陰離子交換膜（AEM）電解結合了兩者的優(yōu)勢。AEM電解槽的結構與PEM相似：由離子傳導塑料制成的膜（又稱離聚物）將電極分隔于膜的兩側。電極同樣由離聚物制成，并摻入催化劑顆粒?！芭cPEM不同的是，AEM的電解槽可以依靠鎳基等非貴金屬催化劑，從而有效減少材料成本。” Conradi說。同AEL工藝，AEM的反應將在堿性的環(huán)境中進行。水在陰極被電解，并生成氫氣。AEM電解技術的其他特點還包括可承載高電流密度、效率高、靈活性強。
盡管研發(fā)工作已取得初步進展，實驗室的重點仍是優(yōu)化膜的配方?！坝绊懫湫实囊粋€重要因素是膜與電極之間的接觸電阻。為了使電阻盡可能小，我們需要在膜與電極之間建立良好的離子連接。所以，我們不僅需要繼續(xù)優(yōu)化膜的聚合物配方，還需定制開發(fā)一款用于該膜的電極粘結劑?！?Conradi說道。此外，團隊還在進一步優(yōu)化涂敷等工藝，以實現(xiàn)膜材料的量產(chǎn)。
贏創(chuàng)的目標是開發(fā)整套電解系統(tǒng)，從而實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模制氫。為此，公司正與其他伙伴積極展開合作。在這一名為CHANNEL的研究項目中，包括電解槽開發(fā)商Enapter、能源公司殼牌，德國于利希研究中心、挪威科技工業(yè)研究所在內的企業(yè)和研究機構將基于贏創(chuàng)的膜技術，設計、搭建并測試AEM電解系統(tǒng)。相關技術驗證模型有望在2022年推出。而在中國，這一技術也引起了不少興趣。目前，贏創(chuàng)正積極尋求本地合作伙伴，推進相關研究進程。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：贏創(chuàng)為電解水制氫技術開發(fā)出離子傳導膜
