近期，全球范圍內(nèi)對(duì)陰離子交換膜電解水（AEM-WE）的關(guān)注度持續(xù)上升，這不僅體現(xiàn)在技術(shù)研究的深入，也反映在商業(yè)化應(yīng)用的快速推進(jìn)上。

當(dāng)前氫能領(lǐng)域在應(yīng)用端表現(xiàn)疲軟，PEM電解水制氫（PEM-WE）發(fā)展信心不足的背景下，AEM-WE制氫因其結(jié)合了堿性電解水（ALK）的低成本優(yōu)勢(shì)和PEM-WE的低運(yùn)營(yíng)成本、加壓和超純H2生產(chǎn)、安全性提高等優(yōu)勢(shì)，而受到廣泛關(guān)注。

AEM-WE制氫會(huì)取代PEM-WE制氫，成為新風(fēng)口嗎？

圖1 (A)ALK，(B)PEM-WE和(C)AEM-WE的原理圖

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國(guó)內(nèi)外AEM電解水市場(chǎng)進(jìn)展

AEM電解槽技術(shù)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)均取得顯著進(jìn)展，國(guó)外企業(yè)在亞洲首次進(jìn)行商業(yè)化部署，而中國(guó)企業(yè)如穩(wěn)石科技等也在積極推動(dòng)AEM電解槽的產(chǎn)業(yè)化，標(biāo)志著該技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

1.1 在國(guó)外市場(chǎng)上，德國(guó)Enapter AG公司已向東京天然氣公司旗下Senju加氫站交付了30臺(tái)AEM EL 2.1型電解槽和15臺(tái)干燥設(shè)備，標(biāo)志著亞洲首個(gè)使用AEM電解槽的商業(yè)化站內(nèi)制氫加氫站的誕生。此外，2024年1月消息，Ansaldo Green Tech公司也完成了全尺寸AEM電解槽短堆原型測(cè)試，并計(jì)劃生產(chǎn)1MW的商業(yè)化電堆。Power to Hydrogen（P2H2）在安特衛(wèi)普布魯日港簽署的首個(gè)工業(yè)規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2024年交付迭代后的新產(chǎn)品（集裝箱撬裝），并宣稱為世界上最大的AEM電解槽。

1.2 在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，2024年國(guó)內(nèi)有10家以上的企業(yè)具備AEM電解槽的生產(chǎn)能力，部分企業(yè)如穩(wěn)石科技，億緯氫能，泰極動(dòng)力等企業(yè)已經(jīng)具備AEM電解槽的出貨能力。其中，深圳穩(wěn)石氫能科技有限公司在9月12日宣布正式中標(biāo)全球首套單系統(tǒng)1.25MW-AEM（陰離子交換膜）電解水制氫項(xiàng)目，刷新了目前全球最大單系統(tǒng)功率AEM制氫項(xiàng)目的紀(jì)錄，同時(shí)也開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)AEM商業(yè)化應(yīng)用示范，這標(biāo)志著AEM電解水制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入了新的階段。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)多家企業(yè)看好AEM電解水未來(lái)的發(fā)展，除了上述企業(yè)還包括上海氫鸞科技、文景能源、正星氫電、奧揚(yáng)科技、清能股份、北京未來(lái)氫能、中電綠波、浙江億孚科技、易普斯、泰極動(dòng)力、水沐氫華、北京動(dòng)氫新能、安徽聚石氫友、嘉膜科技、泰極動(dòng)力、東岳集團(tuán)、莒納科技、漢丞科技、易普斯、德林海等國(guó)內(nèi)企業(yè)均已開(kāi)始布局AEM電解槽市場(chǎng)。

02

AEM今年為何受到關(guān)注？

AEM市場(chǎng)的火熱可以歸納為氫能市場(chǎng)的推動(dòng)的前提下，風(fēng)能/太陽(yáng)能電力占比逐步增大作為背景，在對(duì)PEM電解水信心不足的大環(huán)境下，可以較低門檻切入更具技術(shù)前景的AEM賽道。

具體可以分為四個(gè)方面：

2.1 綠氫市場(chǎng)的發(fā)展動(dòng)力：在全球范圍內(nèi)，對(duì)可再生能源和減少碳排放的重視不斷增強(qiáng)。在此背景下，綠氫作為一種清潔的能源載體，其生產(chǎn)與應(yīng)用逐漸受到廣泛關(guān)注。盡管燃料電池市場(chǎng)目前表現(xiàn)并不強(qiáng)勁，但市場(chǎng)參與者逐漸認(rèn)識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)燃料電池技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化，關(guān)鍵在于大規(guī)模生產(chǎn)綠氫。因此，市場(chǎng)的關(guān)注焦點(diǎn)已從前幾年的應(yīng)用端轉(zhuǎn)向制氫端，這一轉(zhuǎn)變?yōu)殛庪x子交換膜電解水（AEM）技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。

2.2 風(fēng)能/太陽(yáng)能電力占比逐步增大的背景：在風(fēng)能/太陽(yáng)能電力在能源結(jié)構(gòu)中的比重日益增加的趨勢(shì)下，可適應(yīng)波動(dòng)性能源的綠氫制備技術(shù)顯的尤為重要。當(dāng)前市場(chǎng)上的制氫技術(shù)可分為三類：低溫、中溫和高溫電解水技術(shù)。然而，中溫和高溫電解槽最適宜在恒定負(fù)載條件下運(yùn)行，且不易頻繁啟/停，這限制了它們?cè)趹?yīng)對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能這類波動(dòng)間歇性能源時(shí)的應(yīng)用。

在這一背景下，只有低溫電解水技術(shù)可以符合要求，目前市場(chǎng)上存在兩種低溫電解水技術(shù)：AEM-WE 和 PEM-WE。PEMWE在近期發(fā)展中面臨提升產(chǎn)氫效率和降低成本的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致市場(chǎng)信心有所下降，這也促使行業(yè)將目光轉(zhuǎn)移到了另一種低溫電解水技術(shù)——AEM-WE。

2.3 希望搶占未來(lái)市場(chǎng)：目前市場(chǎng)存在一種觀點(diǎn)，認(rèn)為隨著 AEM-WE 技術(shù)的突破，PEM-WE技術(shù)可能會(huì)變得不再必要，甚至被認(rèn)為是過(guò)渡性產(chǎn)品。這種觀點(diǎn)也讓許多企業(yè)可能會(huì)跳過(guò)PEM-WE技術(shù)的研發(fā)，直接布局AEM-WE技術(shù)，以搶占未來(lái)市場(chǎng)。然而，這種觀點(diǎn)可能忽略了兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。直接布局AEM技術(shù)可能是一個(gè)搶占未來(lái)市場(chǎng)的策略，但同時(shí)也需要考慮技術(shù)的成熟度和市場(chǎng)的接受程度。

2.4 AEM-WE與PEM-WE、PEMFC的共通性：AEM-WE與PEM-WE、PEMFC電解槽在結(jié)構(gòu)上存在一定的相似性，一方面降低了從PEM-WE、PEMFC技術(shù)轉(zhuǎn)向AEM-WE技術(shù)的門檻，使得已經(jīng)布局PEM技術(shù)的企業(yè)更容易過(guò)渡到AEM-WE的賽道中去。另一方面，隨著前期PEMFC和PEM-WE技術(shù)的快速發(fā)展，核心零部件廠家也在這一過(guò)程中進(jìn)行技術(shù)的迭代和積累，可以針對(duì)更為具體的要求進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，為AEM-WE的大規(guī)模發(fā)展提供了材料和技術(shù)的基礎(chǔ)條件。

03

AEM制氫優(yōu)勢(shì)

AEM-WE有可能以顯著降低的成本運(yùn)行，無(wú)需在組件中使用貴金屬和含氟聚合物膜，更簡(jiǎn)易的操作條件，為大規(guī)模和可持續(xù)生產(chǎn)綠色 H2 開(kāi)辟了新途徑。具體可以分為以下三方面：

3.1 雖然PEM-WE制氫技術(shù)效率較高，然而，其性能在很大程度上依賴于稀有元素的電催化劑，例如用于氧析出反應(yīng)（OER）的銥（Ir）和用于氫析出反應(yīng)（HER）的鉑（Pt）。這些催化劑不僅屬于稀土元素，而且其主要產(chǎn)地集中在南非和俄羅斯，這使得其供應(yīng)具有地理集中性。此外，這些催化劑的成本波動(dòng)不可預(yù)測(cè)，進(jìn)一步增加了其使用的風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，AEM-WE能夠利用非貴金屬催化劑，例如鎳基催化劑，從而在成本和資源可獲取性方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。這種技術(shù)降低了對(duì)稀有資源的依賴，同時(shí)提供了一種更為經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換方案

3.2 目前 PEM-WE技術(shù)依賴于含氟聚合物作為其核心組件。然而，在四氟乙烯的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)排放氟碳?xì)怏w，這對(duì)環(huán)境造成了顯著的負(fù)面影響。鑒于此，歐盟委員會(huì)正在積極推動(dòng)限制這些含氟材料的未來(lái)使用。預(yù)計(jì)到2027年，將實(shí)施全面的禁氟令，這無(wú)疑將對(duì)依賴氟化物膜的PEM-WE技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)，其未來(lái)的發(fā)展方向和可行性仍然是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。相比之下 AEM-WE技術(shù)在膜材料的選擇上擁有更大的靈活性。AEM可以選擇使用低毒的生產(chǎn)工藝路線，從而在長(zhǎng)期內(nèi)避免了與環(huán)境影響相關(guān)的隱患。此外，與PEM膜相比，AEM膜的成本更低，這進(jìn)一步增強(qiáng)了其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖2 歐盟關(guān)于“氟禁令”的立法程序時(shí)間表（圖片來(lái)源：OPRD）

3.3 PEM-WE技術(shù)在操作條件方面存在一定的局限性。它要求使用超純水，并對(duì)供水系統(tǒng)中的雜質(zhì)表現(xiàn)出較高的敏感性，例如鐵、銅、鉻和鈉等金屬元素的離子。這可能導(dǎo)致需要額外投資建立水凈化系統(tǒng)以滿足其水質(zhì)要求。相比之下，堿性電解（AEM）技術(shù)則顯著降低了對(duì)水凈化程度的需求。此外，AEM電解還減少了對(duì)復(fù)雜氣體管理和冷卻系統(tǒng)的依賴，這不僅簡(jiǎn)化了操作流程，也有效降低了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。

04

AEM-WE的發(fā)展障礙在哪里？

AEM發(fā)展的核心障礙在于穩(wěn)定的高離子導(dǎo)電率陰離子交換膜和離聚物的開(kāi)發(fā)，除此之外非貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)、多孔傳輸層的選擇、膜電極組件（MEA）的匹配都存在相關(guān)的難點(diǎn)，可分為下面四個(gè)方面：

4.1 陰離子交換膜和離聚物

AEM 必須：(i) 離子導(dǎo)電；(ii) 熱穩(wěn)定；(iii) 機(jī)械穩(wěn)定；(iv) 化學(xué)穩(wěn)定；(v) 電化學(xué)穩(wěn)定，并且為了使它們更具吸引力，它們還需要低成本、易加工并可通過(guò)持續(xù)工藝生產(chǎn)。現(xiàn)實(shí)是，有必要在機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率之間做出妥協(xié)。雖然增加 AEM 官能團(tuán)的負(fù)載可能有利于離子電導(dǎo)率，但這會(huì)增加吸水量，從而降低機(jī)械穩(wěn)定性。相反，官能團(tuán)含量較低可能會(huì)導(dǎo)致離子電導(dǎo)率較低，因此 AEM-WE 性能較低。

此外市場(chǎng)上有售的AEM膜，但由于生產(chǎn)規(guī)模小，價(jià)格仍然非常昂貴，目前在成本上無(wú)法與商用 PEM 競(jìng)爭(zhēng)。

最后，目前對(duì)于是否滿足耐久性要求，還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和評(píng)估。

圖3 陰離子交換膜 （來(lái)源：億緯氫能）

4.2 PGM-Free 催化劑

一方面現(xiàn)階段使用鎳基 OER 電催化劑實(shí)現(xiàn)無(wú) PGM 已成為現(xiàn)實(shí)，目前鎳基 OER 電催化劑被視為基準(zhǔn) OER 電催化劑。相比之下，對(duì)于 HER，最先進(jìn)的電催化劑仍然基于貴金屬。另一方面，很多催化劑在實(shí)驗(yàn)室階段表現(xiàn)優(yōu)異，一旦制作成MEA并在電解槽中進(jìn)行測(cè)試，催化活性并不能有效表達(dá)。如何加快電極設(shè)計(jì)并使測(cè)試條件更接近 AEM-WE 而不是 RDE ，從而產(chǎn)生更能預(yù)測(cè)在 AEM-WE 中的行為，就非常重要了。然而，最終在電解槽中測(cè)試新材料仍然是必要的，盡管它很復(fù)雜且耗時(shí)。必須充分研究電催化劑的耐久性，并了解其衰減機(jī)制并因此減輕其影響。目前少數(shù)研究探討了材料的長(zhǎng)期耐久性，這給材料的可靠性留下疑問(wèn)。

4.3 多孔輸送層

AEM-WE 中陽(yáng)極 PTL 的首選材料是鎳。事實(shí)上，鎳在0V 以上（vs RHE），氧化產(chǎn)物是氧化物或氫氧化物，會(huì)使表面鈍化。在 AEMWE 中，陽(yáng)極 PTL 通常是泡沫鎳，而陰極可以是泡沫鎳或碳布。迄今為止，PTL 仍然是研究的焦點(diǎn)和難點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)化對(duì)提高AEM-WEs的性能具有巨大的潛力。

4.4 膜電極組件

膜電極組件（MEA）的集成對(duì)于性能和耐久性的提高至關(guān)重要，同時(shí)也對(duì)于從稀KOH或K2CO3轉(zhuǎn)換為近未來(lái)的純水供給至關(guān)重要。在當(dāng)前MEA制造狀態(tài)下，必須研究和優(yōu)化催化劑、離聚物和膜的適當(dāng)組合，以提高電極的離子導(dǎo)電性。

還應(yīng)該探索不同方法來(lái)來(lái)優(yōu)化離聚物（AEI）和電催化劑的界面，以控制和改善AEI和電催化劑之間的相互作用和互連。與催化層的剝離或溶解相關(guān)的機(jī)械問(wèn)題必須得到解決。在催化層中結(jié)合的AEI仍然存在一些未解決的問(wèn)題，涉及其在陽(yáng)極和陰極催化過(guò)程中的作用。其他組件，如PTL，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化以耐腐蝕，有利于脫氣并減低催化層和PTL之間的界面電阻。

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AEM-WE會(huì)成為風(fēng)口嗎？

AEM-WE技術(shù)是否能夠成為新的風(fēng)口，取決于短期與PEM-WE技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。盡管AEM-WE制氫技術(shù)結(jié)合了ALK和PEM-WE的優(yōu)點(diǎn)，被寄予厚望。然而，AEM技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用方面仍面臨挑戰(zhàn)，包括陰離子交換膜和離聚物的開(kāi)發(fā)、非貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)、多孔傳輸層的選擇以及膜電極組件的匹配等。這些技術(shù)難題的解決速度將直接影響AEM-WE的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

而PEM-WE在市場(chǎng)上是有先發(fā)優(yōu)勢(shì)的，目前仍存在技術(shù)路線的領(lǐng)先性，相關(guān)企業(yè)不斷通過(guò)提升產(chǎn)氫效率和降低成本來(lái)維持其市場(chǎng)地位。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，PEM電解水技術(shù)已在加氫站現(xiàn)場(chǎng)制氫、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫、儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到示范應(yīng)用并逐步推廣，過(guò)去5年，PEM電解槽成本已下降了40%，電堆成本降幅趨勢(shì)還在持續(xù)加大。

因此，AEM-WE技術(shù)的未來(lái)發(fā)展不僅取決于其自身的技術(shù)突破，還取決于與PEM-WE技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

如果AEM-WE能夠在核心材料層面取得技術(shù)突破，并在可靠性和規(guī)�；�生產(chǎn)方面表現(xiàn)優(yōu)秀，那么就有可能成為制氫領(lǐng)域的新風(fēng)口。反之，如果在此之前，PEM-WE技術(shù)能夠更快地適應(yīng)市場(chǎng)需求并降低成本，AEM-WE的市場(chǎng)份額可能會(huì)受到限制。

AEM-WE的發(fā)展會(huì)隨著膜材料的技術(shù)突破而出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，所以留給兩者競(jìng)爭(zhēng)的窗口期并不會(huì)太長(zhǎng)。而這一競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程將決定未來(lái)氫能市場(chǎng)的技術(shù)走向和產(chǎn)業(yè)格局。

       原文標(biāo)題 : AEM制氫會(huì)取代PEM制氫，成為新風(fēng)口嗎？