一文读懂AEM电解制氢技术

电流密度是另一关键运行参数。现行AEM电解槽通常在 0.3-1.0 Acm² 范围内运行。更高电流密度可提升单位堆面积的产氢量，但同时会增加电压损耗和材料应力。当前研究致力于在不缩短系统寿命的前提下提高电流密度。

多数AEM电解槽采用去离子水或高纯水作为原料水。部分系统会添加极稀碱性电解液以提升离子导电性。水质纯度需严格控制，二氧化碳含量必须降至最低（CO₂与氢氧根离子反应会形成碳酸盐，这种沉积物既降低性能又加速材料劣化）。

5、影响AEM电解槽性能的因素

AEM电解槽的性能通过多个关键参数衡量，包括单体电压、产氢速率、能量效率及法拉第效率。单体电压是最重要指标之一，在相同电流密度下，更低的单体电压意味着电解槽消耗更少的电能，这直接提升整体效率。

各类损耗会降低AEM电解槽性能，电极反应动力学迟缓导致活化损耗，这些损耗与催化剂活性密切相关。欧姆损耗源于膜、电极及接触界面中的电阻，电阻增大将导致电压损耗上升。当供水或排气不均匀时，会产生质量传递损耗。若氢氧气无法快速从反应位点排出，这些损耗将进一步加剧。

在所有损耗中，膜电阻与催化剂性能对AEM系统尤为关键，低离子传导率的膜会加剧电压损耗；催化剂活性不足会增加活化过电位。

随着电流密度提升，所有损耗均趋于显著，离子穿膜难度增大，高电流密度下气泡更易聚集，这将推高电压并限制大功率运行。

要实现高效稳定运行，必须完善水分管理——确保水均匀到达反应区，高效清除电极气体，优化电极结构以改善质量传递。提高膜导电性也有助于降低电能损耗。这些因素共同决定了AEM电解槽长期高效运行的关键。

6、AEM电解槽的主要劣化与失效机制

AEM电解槽的长期耐久性取决于若干关联的劣化机制。主要问题之一是膜劣化。

• 阴离子交换膜会随时间发生化学降解，当氢氧根离子侵蚀膜内功能基团时，这种化学降解便会发生，其结果是膜的离子传导能力逐渐丧失；
• 膜还可能发生机械降解，吸水膨胀与干燥收缩的反复循环会产生机械应力，而电极两侧的压差则加剧应力作用。长期作用下可能导致膜体开裂、变薄或机械强度丧失。

催化剂降解是影响耐久性的另一关键因素。运行过程中催化剂颗粒可能发生团聚并增大尺寸，导致可供反应的活性表面积减少。反复启停循环也会导致催化剂氧化或降解，这些氧化还原循环会逐渐降低催化活性并增加电池电压。

二氧化碳污染是AEM电解槽面临的另一挑战，空气中的CO₂可能进入系统并与氢氧根离子反应。该反应会形成碳酸盐化合物。碳酸盐会降低膜中氢氧根离子的传导性，同时可能堵塞催化剂和电极上的活性位点。

系统层面的机械与运行问题同样影响使用寿命，密封件和垫片会随时间劣化，堆栈内不均匀的压缩力可能损伤膜和电极，运行中的热循环会引入额外应力。

综合这些因素，当前AEM电解槽的使用寿命仅限于数万运行小时。材料与系统设计的持续改进旨在延长使用寿命并提升长期可靠性。

7、辅助设备（BOP）

辅助设备（BOP）涵盖电解槽堆栈周边所有支撑系统，这些系统对安全、稳定、高效运行至关重要。辅助系统虽不直接产氢，但保障堆栈正常运行。

• 电力电子设备是其重要组成部分，整流器将电网或可再生能源的交流电转换为直流电，电解槽需稳定直流电源才能正常工作。
• 功率控制系统则在启动、停机及负载变化时调节电流。
• 水处理系统为电解槽提供高纯度水源，水中的杂质会损坏膜和催化剂。完善的处理工艺可提升系统性能并延长使用寿命。
• 冷却系统负责带走电解过程中产生的热量，温度控制对保护膜组件及维持效率至关重要。
• 气体处理装置通过气液分离器从氢氧气流中去除水分。
• 干燥装置进一步降低含水量。
• 压力控制装置则调节气体压力以确保安全储存或下游使用。
• 仪表与控制系统持续监测关键运行参数，包括电压、电流、温度、压力及气体纯度。
• 控制系统支持自动运行并能快速检测故障。

在多数系统中，辅助设备占总系统成本的很大比例，对电解槽的整体效率、安全性和长期可靠性具有重大影响。

8、AEM电解槽的主要优势和当前局限性

AEM电解槽烦人主要优势在于潜在的成本降低空间，可采用非贵金属催化剂替代昂贵的铂族金属，且结构材料成本低于PEM电解槽，显著降低系统总体资本支出。

AEM电解槽采用固态膜替代循环液态电解质，无需处理浓碱溶液。由此降低了腐蚀风险和维护需求，相较传统碱性电解槽，系统设计更为简洁安全。

尽管具备这些优势，AEM技术仍存在局限性。

• 膜材料耐久性是主要挑战之一，高电流密度下膜材料降解加速，长期运行会加剧性能衰减风险。
• AEM电解槽对CO₂污染敏感，CO₂与氢氧根离子反应会降低膜导电性，导致效率下降并缩短系统寿命。
• 此外，AEM电解槽的大规模商业化应用仍受限，其长期工业应用案例远少于碱性及质子交换膜技术。

鉴于这些挑战，AEM电解槽目前仍被视为新兴技术，虽展现出巨大潜力，但尚未成为完全成熟的工业解决方案。需持续研发以提升耐久性并推动广泛应用。

• 最关键的优先事项之一是提升膜稳定性，膜必须抵御氢氧根离子的化学侵蚀，并在长期运行中保持机械强度。目前，膜材料劣化是限制系统寿命的主要因素之一。
• 催化剂性能同样亟待提升，需在更高电流密度下保持活性与稳定性。更高电流密度意味着更小的电解槽堆栈即可产出更多氢气，从而缩减系统体积并降低成本。催化剂的长期耐久性对持续运行至关重要。
• 另一关键领域是杂质耐受性，AEM电解槽必须更有效地处理空气中的CO₂， 同时需耐受进水中的微量杂质。提升杂质耐受性将简化系统设计，并降低运维要求。
• 制造工艺发展同样关键，生产方法必须具备可扩展性和可重复性，以确保大批量电栅的质量一致性，同时降低制造成本。

根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》预测，2030年中国氢气需求量达3715万吨，2050年达9690万吨。有分析认为，电解水制氢将逐步作为中国氢能供应的主体，在氢能供给结构的占比将在2040、2050年分别达到45%、70%。 因此，在“双碳”背景下，电解水制氢项目成为了市场关注的热点话题。为促进行业信息流通，艾邦建有制氢产业交流群，聚焦氢气生产、碱水/PEM电解槽（隔膜、极板、催化剂、极框、密封垫片等）、PPS、质子交换膜、钛金属、镍网等产业链上下游，设备，材料，配件等配套资源，欢迎大家加入