有望降低電解水制氫成本的全新膜技術(shù)

文/本刊編輯（原文來(lái)自贏創(chuàng)）

堿性水電解（AEL）和質(zhì)子交換膜（PEM）電解是現(xiàn)有的兩種綠色制氫方法，但它們均存在著一定的技術(shù)缺陷，如在受壓下操作受限、僅適于低電流密度以及電解槽成本極其高昂等。為了解決此問(wèn)題，贏創(chuàng)開(kāi)發(fā)了一種陰離子交換膜（AEM），利用具有這種膜的電解槽制氫有望降低電解水制氫的成本，并提高電解效率和電解可靠性。

在能源需求增加和自然資源匱乏的背景下，氫能技術(shù)被視為能源轉(zhuǎn)型的新希望。氫氣既是化學(xué)工業(yè)的關(guān)鍵原材料，也可作為一種無(wú)碳燃料，用于工業(yè)、交通領(lǐng)域?！熬G色制氫”指利用可再生能源發(fā)電，通過(guò)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(shí)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(duì)高昂。

離子交換膜是電解槽的核心部件，對(duì)電解效率和電解可靠性至關(guān)重要。目前，贏創(chuàng)成功開(kāi)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(shù)，我們希望實(shí)現(xiàn)綠色制氫的商業(yè)化，并使其具備經(jīng)濟(jì)效益和高效率?！壁A創(chuàng)戰(zhàn)略創(chuàng)新部門(mén)Creavis，負(fù)責(zé)膜技術(shù)創(chuàng)新的Oliver Conradi表示。

贏創(chuàng)開(kāi)發(fā)的膜技術(shù)有望成為綠色制氫商業(yè)化的突破口

現(xiàn)有技術(shù)的缺陷

堿性水電解制氫（AEL）是現(xiàn)有工藝中應(yīng)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(xué)反應(yīng)：水分子在陰極分解成氫離子（H+）和氫氧離子（OH-），氫離子與來(lái)自陰極的電子結(jié)合形成氫氣，氫氧離子則到達(dá)陽(yáng)極，生成氧氣和水。為了確保分隔開(kāi)反應(yīng)產(chǎn)物，避免其重新結(jié)合引起爆炸，在電解槽的陽(yáng)極與陰極之間需設(shè)置一層隔膜。為了讓氣體通過(guò)，AEL采用多孔結(jié)構(gòu)的隔膜，因而限制了設(shè)備在受壓條件下的操作。為了方便存儲(chǔ)或運(yùn)輸，制成的氫氣需進(jìn)行壓縮，因此會(huì)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 mA電流。

另一項(xiàng)技術(shù)是質(zhì)子交換膜（PEM）電解制氫。在這一技術(shù)中，質(zhì)子交換膜不僅用于分隔反應(yīng)產(chǎn)物，還可以使電解池的設(shè)計(jì)更緊湊，因其由導(dǎo)電聚合物組成，而電極位于膜的兩側(cè)，待電解的水流經(jīng)陽(yáng)極，產(chǎn)生的氫離子從陽(yáng)極側(cè)穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在陰極反應(yīng)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(yīng)對(duì)更大的負(fù)載波動(dòng)。由于這一技術(shù)可以在受壓條件下實(shí)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(shù)上具有一定優(yōu)勢(shì)，但投資成本極其高昂。“PEM在酸性條件下反應(yīng)，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解釋道。

贏創(chuàng)陰離子交換膜：結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與AEL或PEM工藝相比，贏創(chuàng)的陰離子交換膜（AEM）電解結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)。AEM電解槽的結(jié)構(gòu)與PEM相似：由離子傳導(dǎo)塑料制成的膜（又稱離聚物）將電極分隔于膜的兩側(cè)。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?！盋onradi說(shuō)。與AEL工藝相同，AEM的反應(yīng)將在堿性的環(huán)境中進(jìn)行。水在陰極被電解，并生成氫氣。AEM電解技術(shù)的其他特點(diǎn)還包括可承載高電流密度、效率高、靈活性強(qiáng)。

盡管研發(fā)工作已取得初步進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)仍是優(yōu)化膜的配方?！坝绊懫湫实囊粋€(gè)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，還需訂制開(kāi)發(fā)一款用于該膜的電極粘結(jié)劑?！?Conradi說(shuō)道。此外，團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)一步優(yōu)化涂敷等工藝，以實(shí)現(xiàn)膜材料的量產(chǎn)。

贏創(chuàng)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)整套電解系統(tǒng)，從而實(shí)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(kāi)合作。在這一名為CHANNEL的研究項(xiàng)目中，包括電解槽開(kāi)發(fā)商Enapter、能源公司殼牌、德國(guó)于利希研究中心，以及挪威科技工業(yè)研究所在內(nèi)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，將基于贏創(chuàng)的膜技術(shù)，設(shè)計(jì)、搭建并測(cè)試AEM電解系統(tǒng)。相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證模型有望在2022年推出。而在中國(guó)，這一技術(shù)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(jìn)相關(guān)研究進(jìn)程。