長期以來在制備綠氫的技術(shù)中，ALK（堿性水制氫）和PEM（質(zhì)子交換膜電解水制氫）一直是唯二選擇，但受制于各自的制約因素，始終無法大規(guī)模商業(yè)化。直到綜合兩家所長的AEM陰離子交換膜電解水制氫嶄露頭角，廣泛關(guān)注和研究開始轉(zhuǎn)移到AEM上。尤其是國內(nèi)研究AEM技術(shù)的獨角獸企業(yè)——穩(wěn)石氫能，通過不斷地技術(shù)迭代升級，AEM的商業(yè)化進程正加速中。
相比于ALK和PEM，AEM既有ALK不具備的環(huán)保、高效、更便捷、耦合于波動較大的可再生能源發(fā)電應用場景的優(yōu)點，又可以滿足PEM在降低成本空間方面的需求。
那么，AEM究竟有什么魔力能一舉成為第三代電解水技術(shù)？作為國內(nèi)發(fā)布首臺/套自研AEM電解器的獨角獸企業(yè)——穩(wěn)石氫能是如何實現(xiàn)AEM的技術(shù)突破的？接下來，我們撥云見日，一起探秘AEM的背后的技術(shù)原理。
圖1. AEM電解水制氫原理圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
水在陰極催化劑作用下接收電子發(fā)生析氫反應（HER）產(chǎn)生氫氣，氫氣透過氣體擴散層GDL釋放出來。
HER產(chǎn)生的氫氧根(OH-)穿過AEM回到陽極。
OH-在陽極催化劑作用下發(fā)生析氧反應（OER）產(chǎn)生氧氣，氧氣透過氣體擴散層與電解液一起流動釋放出來。
至此，AEM通過完成水的分解，實現(xiàn)了氫氣的高效生產(chǎn)，同時產(chǎn)生的氧氣可以繼續(xù)利用或釋放到大氣中，沒有任何污染環(huán)境的成分產(chǎn)生。
位于膜電極結(jié)構(gòu)中間的電解質(zhì)隔膜是陰離子交換膜，它具有以下幾方面的作用：
傳遞OH-：將陰極側(cè)產(chǎn)生的OH-傳遞到陽極側(cè)，這個過程中要使OH-傳遞阻力盡可能小，即膜要有較高的電導率；
隔絕電子：電化學反應與一般的化學反應的一個很大區(qū)別在于我們可以利用電能控制化學反應速度和反應方向，使化學反應涉及的電子通過外電路傳遞，因此交換膜要盡可能絕緣電子；
阻隔氣體：由于電解水在膜電極兩側(cè)產(chǎn)生氫氣和氧氣，而氫氧混合達到一定比例就會存在燃燒或爆炸的風險，也會降低氫氣產(chǎn)率，因此膜要有很好的阻隔氣體的性能。
陰離子交換膜的性能對AEM電解器的性能起到至關(guān)重要的作用，為此，深圳穩(wěn)石氫能科技有限公司（下稱“穩(wěn)石氫能”）采用了電導率高、離子交換容量高、機械性能好、壽命長的聚芳環(huán)哌啶高分子材料AEM膜。得益于此，電解槽性能和使用壽命都有了大幅度提升。
AEM膜的技術(shù)參數(shù)表如下表。
制造MEA需要將陰極和陽極催化劑均勻涂布在AEM膜的兩側(cè)，由于催化劑層是電化學OER和HER反應發(fā)生的場所，涉及到氣液固三相界面的反應，因此催化劑的性能直接決定了電化學反應速度。這不僅要求催化劑具有較高的催化活性，還要降低電催化過程中的界面電阻和內(nèi)阻，同時也要求反應物水盡可能迅速到達反應場所，而產(chǎn)生的氣體迅速離開反應場所，降低反應過程中的流動阻力。
基于此，穩(wěn)石氫能自研了非貴金屬催化劑并用到AEM中，并在優(yōu)化催化劑的載量和粘結(jié)劑的配比方面下足了功夫，有效提升了本征活性和催化接觸面積方面的性能，使得催化效果的更加顯著：
根據(jù)應用體系的要求，設(shè)計出不同比例配比，不同大小的非貴金屬催化劑，控制好催化劑的形貌，制備出適用于AEM體系的納米棒、納米線、納米片，使其具有更大的催化活性面積和催化活性。
添加適合的離子液體對催化劑進行改性，離子液體的添加一方面有效的提高了催化劑的本征活性，另一方面，離子液體有效地降低了催化劑與膜之間的接觸電阻，提高催化劑的接觸面積，進一步提高電解水的效率。
添加少量石墨烯溶液改性催化劑性能，減少催化劑層厚度，減小傳質(zhì)極化，提高催化效率。
通過催化劑原位生長的方法，引入金屬有機框架（MOF）結(jié)構(gòu)，避免了粘結(jié)劑的使用，提升了催化劑的活性面積和使用壽命。
當前，穩(wěn)石氫能已具備公斤級量產(chǎn)催化劑的能力，為AEM大規(guī)模商業(yè)化做好了充分準備。
MEA制備工藝對電解槽的性能影響很大。我們采用超聲噴涂和高溫噴涂相結(jié)合的工藝，使催化劑漿料均勻分布在催化劑載體上，避免了離子交換膜與催化劑接觸時溶脹所導致的化學性能和物理結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。
利用超聲波的高頻振動，使催化劑漿料在載體表面形成均勻的分布，提高催化劑的利用率和膜電極的性能。
通過高溫噴涂，可以使催化劑漿料在載體表面形成緊密的結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部孔隙，提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。
溫度和壓力對膜電極性能的影響同樣也不可忽視。雖然一定程度地提升電解水的溫度和壓力可以提高AEM的性能，但溫度和壓力過高會對膜電極產(chǎn)生機械性損傷。穩(wěn)石氫能通過獨有的工藝流程控制，使膜電極在60℃和3.5Mpa壓力下穩(wěn)定工作。
展望未來，隨著全球能源轉(zhuǎn)型的深入推進，氫能源將在能源供應體系中發(fā)揮越來越重要的作用。正如尼爾·德·格拉斯·泰森 (Neil deGrasse Tyson)所說："每次我們發(fā)現(xiàn)一個新技術(shù)，它都會改變我們生活的方式。"陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)的成功研發(fā)，為氫能源的廣泛應用帶來了巨大的希望。隨著技術(shù)的不斷成熟和商業(yè)化進程的推進，相信在不久的將來，我們將迎來一個更加綠色、清潔、高效的能源時代。
穩(wěn)石氫能將繼續(xù)加大研發(fā)投入，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)合作，推動我國的AEM電解水制氫技術(shù)的發(fā)展。
來源：穩(wěn)石氫能
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：探秘穩(wěn)石氫能電解水制氫技術(shù)， 看AEM如何掀起綠色能源革命
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