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發布時(shí)間(jiān)：2024-07-08
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AEM水(shuǐ)電(diàn)解制(zhì)氫的(de)技(jì)術(shù)分(fēn)©β¶析與商業(yè)化(huà)分(fēn)析
一(yī)、AEM水(shuǐ)電(diàn)解制(zhì)氫技©≠δ€(jì)術(shù)1、AEM制(zhì)氫技(jì)術(shù)原理(lǐ)AEM電(diàn)解槽主要(yào)由陰離(lí)子(zǐ)交換膜（>✘¥AEM）、陰極陽極催化(huà)劑層（CL）、氣體(tǐ)擴散層（GDL）和(hé)雙極闆（B≤₽★P）等密封組合而成，水(shuǐ)電(diàn)解制(zhì)氫時(€♦¥$shí)，使用(yòng)純水(shuǐ)或低(dī)濃度堿性溶液作(zuò)為(wèi)電(♥λ≥₹diàn)解液，在1.8~2.5V電(diàn)壓驅動下$€(xià)，電(diàn)解裝置以電(diàn)化(huà)學↕σ∑方式分(fēn)解水(shuǐ)并産生(shēng)氧氣和(hé)氫氣（圖1所示）。具體(tǐ₽ )來(lái)說(shuō)，AEM電(diàn)解水(shuǐ)技(jì)術(shù←Ω)工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)為(wèi)：第一(yī)步，在電(diàn)解槽的(de)陽極$ ↓、陰極兩端外(wài)加直流電(diàn)壓，水(shuǐ)從(cóng)陽極穿過陰離(l ≈í)子(zǐ)交換膜滲透到(dào)陰極。第二步，水(shuǐ)在陰極催化(huà)劑作(zuò)用(yòng)下(¥←♥§xià)，接受電(diàn)子(zǐ)發生(∏&≥®shēng)析氫反應（4H2O+4e-→4OH-+2H2），産生(shēng)氫氣和(h€∑↓é)氫氧根離(lí)子(zǐ)，其中，氫氣透過氣體(tǐ)擴散層釋放(fàng)出來(lái)∑>♦，氫氧根離(lí)子(zǐ)穿過陰離(lí)子(zǐ)交換膜回到(dào)陽極。第三步，OH-在陽極催化(huà)劑作(zuò)用(yòng)下(xià)"<←÷發生(shēng)析氧反應（4OH-→2HΩ★2O+O2+4e-），釋放(fàng)電(diàn)子∞∏±(zǐ)并産生(shēng)氧氣。第四步，氧氣随後通(tōng)過氣體(tǐ)擴散層與電(diàn)解液一(yī)起&φ×流動釋放(fàng)出來(lái)。圖1 AEMWE反應電(diàn)解裝置與反應機(jī)理(lǐ)示意圖2、與其他(tā)制(zhì)氫技(jì)術(shù)的(de)對(duì)比目前主流的(de)電(diàn)解水(shuǐ)制(zhì)氫技(jì)術(shù)包括堿性水•₹(shuǐ)電(diàn)解（AWE）技(jì)術(shù)、質子(γ☆£zǐ)交換膜電(diàn)解水(shuǐ©>)（PEMWE）技(jì)術(shù)與陰離(lí♥₹)子(zǐ)交換膜電(diàn)解水(shuǐ)（AE¥↔&'MWE）技(jì)術(shù)。根據國(guó)際能(néng)源屬Ω∏§（IEA）2023年(nián)的(de)報(bào)告顯示，AWE和( ¥®hé)PEMWE的(de)技(jì)術(shù)水(shuǐ)平都(d↔↕ōu)在9級（即通(tōng)過成功執行(xíng)任務而證明(míng)的(de)實際系統）♥γ，已成功商業(yè)化(huà)；AEMWE技(j₽♦↔ì)術(shù)從(cóng)2021年(nián)的(✔'φΩde)4級（即在實驗室環境中驗證了(le)組件(jiàn)或'®樣機(jī)）上(shàng)升到(dào)2023年(nián)的(de)6級（即在相(x'¶♦λiàng)關環境中演示了(le)系統模型或原型），尚處于實驗室研發階段。AEMWE技(jì)術(shù)将AWE的(de)低(dī)成本與Pγ☆↓σEMWE的(de)簡單、高(gāo)效相(xiàng)結合$δ₹♠，成為(wèi)第三代電(diàn)解水(shuǐ)技(jì)術(shù)。表1為(wè"β i)三種主要(yào)制(zhì)氫技(jì)術(shù÷↕)的(de)特性對(duì)比情況。表1 電(diàn)解水(shuǐ)制(zhì)氫主要(yào)技(jì)術(shù)特性對(du× ε★ì)比（1）堿性水(shuǐ)電(diàn)解♠£'∏技(jì)術(shù)。AWE在20世紀初應用(yòng)，是(shì)目前最為(wèi)成熟、經濟的(d'∑£e)電(diàn)解水(shuǐ)制(zhì)氫技(jì)術(shù)♥。AWE最大(dà)的(de)優勢是(shì)陰陽電(σ"✔diàn)極闆中不(bù)含貴金(jīn)屬，電(diàn)解槽成本相(xiàng)對(d≤¥πuì)較低(dī)，但(dàn)是(shì)由于電(diàn)極催化> →≥(huà)活性較低(dī)、隔膜較厚（通(tōng)常設在2mm左右），導緻其最大(dγ₩&à)運行(xíng)的(de)電(diàn)流密度較低(dī)，降≠÷×低(dī)電(diàn)解效率和(hé)電(diàn)解性能(néng)（能(α©néng)量轉化(huà)效率大(dà)約在60%♦∏左右），且AWE電(diàn)解槽啓動較慢(màn♠Ω♥)，在波動工(gōng)況下(xià)操作(zu±&ò)安全性差，通(tōng)常隻能(néng↕±×)在穩定的(de)電(diàn)源輸入下>£∏(xià)使用(yòng)，因此，不(bù)适合風(fē ¥∏±ng)光(guāng)等間(jiān)歇性電(diàπn)能(néng)。（2）質子(zǐ)交換膜水(shuǐ)電(diàn)解÷&>←技(jì)術(shù)。區(qū)别于AWE電(diàn)解制(zhì)氫，PEMWE使用&∏±(yòng)全氟磺酸膜替代石棉膜，有(yǒu)效♥ε 提高(gāo)化(huà)學穩定性、質子(zǐ)傳導性和(hé)氣體(tǐ)分(fēn)離≤™✔₽(lí)性；且PEM裝置的(de)工(gōng)作(zu₩∏ò)環境為(wèi)純水(shuǐ)，可(kě)以避免強堿液環境對(du™→δ↑ì)裝置的(de)腐蝕。但(dàn)是(shì)，PEMWE電(diàn)解過程中産生(s ±₽₽hēng)的(de)強酸性環境對(duì)電(diàn)極及電(diàn)極催λ∑β化(huà)劑提出了(le)較高(gāo)的(de)要(yào♥←)求，隻能(néng)使用(yòng)貴金(jīn)屬催化(huà)劑（Pt和₽®γ≤(hé)IrO2），極大(dà)地(dì)提高(gāo)了(l•→↑e)制(zhì)氫成本，阻礙該技(jì)♣↑✘術(shù)的(de)大(dà)規模應用(yòng)。（3）陰離(lí)子(zǐ)交換膜水(shuǐ)電(diàn)解技(jì)術(s≥≥hù)。AEMWE技(jì)術(shù)的(de)研究最早開(kāi)始✔∑于2012年(nián)，目前還(hái)處∏♦¥→于實驗室階段。與AWE相(xiàng)比，AEMWE能(néng)夠提高(gā♥β≤<o)電(diàn)流密度，增加能(néng)量₹>π轉化(huà)效率，且将純水(shuǐ)或低(dī)濃度堿性水(shuǐ)溶液作(zu♦←¶ò)為(wèi)電(diàn)解液，緩解了(le)強堿性溶液對(duì)設備的(β∞×¥de)腐蝕問(wèn)題；與PEMWE相(xi♣φàng)比，AEMWE在堿性條件(jiàn)下(xià)可(kě)以采用(yòng)易獲取≈←→、低(dī)成本的(de)非貴金(jīn)屬作(zuò)♦'↓為(wèi)電(diàn)極催化(huà)劑。但(↑₹"dàn)是(shì)，在電(diàn)導率方面，陰離(lí)子(zǐ)交換膜的(de)離(l♦↓✔í)子(zǐ)傳導性較低(dī)，約為(wèi)全氟磺酸膜H+傳導率的(de)二分(fēn)★¶σ之一(yī)；在穩定性方面，陰離(lí)子(zǐ)交換膜在堿性條件(jiàn)、60~$δ80℃溫度下(xià)，聚合物(wù)主鏈和(hé)有(yǒu)機(jī)陽離(lí)↔•¶•子(zǐ)基團易受OH−進攻而發生(shēng)化(huà)學降解，導緻膜機(jī)械性能(•≈♦néng)急劇(jù)下(xià)降。3、AEMWE技(jì)術(shù)的(de)成本優勢AEMWE是(shì)一(yī)項極具吸引力的(de)技(jì)術(s$'¶hù)，但(dàn)是(shì)由于該技(jì)術(shù)還→•(hái)不(bù)夠成熟，美(měi)國(guó)能(néng)源部（DOE）和(hé)歐盟燃♥₩¥ε料電(diàn)池和(hé)氫能(néng)聯合組織（FCH ↔$-JU）預估的(de)AEMWE制(zhì)氫成本是(shì)PEMWE的(de)2倍左右ε÷ ，不(bù)過AEM電(diàn)解槽的(de)投資成本比PEMWE低(dī)20%左右（表>π2所示），說(shuō)明(míng)AEMWE★×₩↑的(de)原材料成本較低(dī)，待未來(lái)相(xiàng)關技↑λ(jì)術(shù)成熟，AEMWE有(yǒu)望實現(xiàn)生(shēng)産清潔且→×低(dī)成本的(de)氫氣。表2 制(zhì)氫技(jì)術(shù)的(de)λ≥投資成本和(hé)制(zhì)氫成本AEMWE主要(yào)生(shēng)産廠(chǎng)商也(yě)對(duì)該技(jε$ì)術(shù)的(de)價格持有(yǒu)積極态度©≥←。德國(guó)Enapter公司預期未來(lái)5年(nián)內(nèi)，将AEMWE制×∑£(zhì)氫成本從(cóng)10歐元/kg降到"≤(dào)1.5-3歐元/kg（即1.7~3.4美(měi)元/kg）；美(měi)國(guó)V™Ω×ersogen公司的(de)AEM電(diàn)解槽制(zhì)氫成本将降到(dào)1 ♥.86美(měi)元/kg（圖2所示）；美(<©měi)國(guó)初創公司Power to Hydrogen測算(♥§®suàn)其生(shēng)産的(de)AEM電(diàn)解槽制(zhìδ∞)氫成本将降至1.14美(měi)元/kg（圖3所示），投資成本有(yǒu)望降到(dào)100α₽美(měi)元/kW。二、AEM制(zhì)氫關鍵技(jì)術(shù)——→§陰離(lí)子(zǐ)交換膜
國(guó)際可(kě)再生(shēng)能(néng)源署（IEA）對(duì)AE₩ᶀMWE的(de)技(jì)術(shù)經濟目标總結見(jiàn)表3₩™，研發重點集中于電(diàn)催化(huà)劑和(hé)膜，而AEMWE可(kě)以使用(yòng)與堿性液體(tǐ)電₽♥ ₩(diàn)解質相(xiàng)同的(de)催化(huà)劑，因此AEMWE技(jì)術(shù)÷ ¶的(de)真正挑戰是(shì)制(zhì)備高(gāo)§¶₽穩定性、高(gāo)導電(diàn)性的(de)陰離(lí)子(zǐ)交換膜↔÷。在電(diàn)解制(zhì)氫過程中，陰離↓♥(lí)子(zǐ)交換膜能(néng)夠阻隔陰陽兩極氣λ® £體(tǐ)擴散，避免危險事(shì)故發生(shēng)，也(y λΩě)能(néng)夠為(wèi)OH−離(lí)子(zǐ)提供內(φ$↑nèi)部傳導通(tōng)道(dào)，實現(xiàn)OH−離(lí)子(z∑↓®ǐ)的(de)跨膜遷移，幫助電(diàn)解系統形¶'成完整回路(lù)。表3 AEMWE技(jì)術(shù)現(xiàn)狀與未來(& ∑lái)關鍵性能(néng)指标陰離(lí)子(zǐ)交換膜由聚合物(wù)骨架和(♦ hé)陽離(lí)子(zǐ)基團兩部分(fēn)組成，兩者的✔γ(de)分(fēn)子(zǐ)材料和(hé)結構共同決定了(le)陰離(lí)子(zǐ£$)交換膜的(de)穩定性和(hé)導電(diàn)性。表4為(wèi)目前适用(yòng)于AEM¶¥WE的(de)商業(yè)陰離(lí)子(zǐ)交換膜的(de)聚合物(wù)骨架和(h☆β♦é)陽離(lí)子(zǐ)基團。表4 國(guó)內(nèi)外(↑<ε♣wài)主要(yào)AEM産品結構聚合物(wù)骨架是(shì)AEM的(γ™de)根基，負責維持膜的(de)整體(tǐ)結構€×€£，決定了(le)AEM的(de)機(jī)械強度和(hé)熱(rè)穩定性。聚合物(wù)骨架主要(yào)有(yǒu)兩種制(zhì)備路(lù)徑：一(yī)種是(✘↓shì)對(duì)現(xiàn)有(yǒu)技(jì)術(shù)成熟的(de)工(gō ng)程塑料（如(rú)PVC、PVDF等）進λ↓行(xíng)接枝改性，使其帶正電(diàn)，但(dàn)常¥"見(jiàn)的(de)工(gōng)程€★塑料結構中含有(yǒu)的(de)氫鹵酸在強堿性環境中化(huà)學穩定性較差，最終導§緻AEM斷鏈和(hé)機(jī)械性能(néng)的(de)退化(huà'÷<£)；另一(yī)種方式是(shì)利用(yò<'∞ng)單體(tǐ)聚合方法制(zhì)備OH-傳導λ★率高(gāo)的(de)AEM，但(dàn)是(shì)該方法制(zhìφ€ ∞)備的(de)聚合物(wù)主鏈存在醚鍵（C-O），易受到(σ↑✘dào)OH-的(de)攻擊從(cóngπ™)而發生(shēng)斷裂，導緻分(fēn≈)子(zǐ)量的(de)降低(dī)及膜的(de©σα©)破裂。例如(rú)，FuMa-Tech公司的(de)FAAπ✔3系列膜的(de)主鏈是(shì)含有(yǒu)醚鍵的(de)芳香族聚合物(wù₽γ¶♠)，拉伸應力和(hé)斷裂伸長(cháng)率都(dōu)比其他(tā)産品弱，故引入聚乙烯(P∏ E)、聚酮(PK)等增強材料以提升AEM的φβ(de)機(jī)械強度和(hé)穩定性。為(wèi)了(le)提高(gāo)耐堿穩定 ♣≠性，聚合物(wù)骨架的(de)研究重點是(shì)從(cóng)單體(≈↑₽♥tǐ)結構和(hé)聚合反應的(de)角度設計(jì)不(bù)含芳基醚鍵的(de)≥÷♦全C-C鍵聚合物(wù)主鏈，使其在堿性環境中能(néng)夠保持穩定的(δ←de)化(huà)學結構。近(jìn)年(nián)來(lái)報(bào)道(dào)較多(du↑•ō)的(de)無醚鍵的(de)聚合物(wù)主★' 要(yào)有(yǒu)脂肪族主鏈、聚苯類、聚苯并咪唑類等，例如(rú)，美(měi)國(g₹¥←∏uó)Dioxide Materials公司的($$de)Sustainion系列陰離(lí)子(zǐ)交換膜由于具有(yǒu)無醚鍵脂肪族聚合ε$物(wù)（聚苯乙烯類）主鏈而具有(yǒu)較好(±≈hǎo)的(de)堿穩定性能(néng)；加拿÷ (ná)大(dà)Ionomer公司生(sh¥≈ēng)産的(de)Aemion™系列陰離(lí)ε£♣子(zǐ)交換膜的(de)單體(tǐ)以聚苯并咪唑為(wèi)基礎，通(tōng)過在主體(t₽≥>ǐ)分(fēn)子(zǐ)2-苯基的(de)兩個(gè)鄰位☆✔引入甲基增加C2位置的(de)空(kōng)間(jiān)位阻，增加了(le)OH-離(lα×í)子(zǐ)進攻難度，降低(dī)了(le)聚合物(wù)結構降解可(kě)能(nσ<±♥éng)性。陽離(lí)子(zǐ)基團是(shì)連接在聚合物(wù)骨架上(shàng)的(deδ↓Ω)功能(néng)基團，其主要(yào)₽≥起到(dào)傳導OH-離(lí)子(zǐ)的(de)作(zuò)用(¥♣Ω£yòng)，決定了(le)AEM的(de)離(lí)子(zǐ)傳導特性、吸水(shuǐφ)率和(hé)溶脹率等多(duō)種性質。最常使用(yòng)的(de)陽離(lí)子(zǐ) ≥↑基團是(shì)季铵基團，其制(zhì)備方法較為(wèi)↕§¶簡單，成本較低(dī)，但(dàn)是(shì)在強堿條件(jiàn)下(xià)季铵Ω™∞↓基團容易被OH-進攻而發生(shēng)取代或β消除反應，進而使陰離(lí)子(zǐ)交換膜©§降解而失去(qù)傳遞OH-的(de)能(néng)力。為(wèi)了(le)解決堿穩定性差和(hé)OH-電(diàn)εδ導率低(dī)的(de)問(wèn)題，研究&÷ 人(rén)員(yuán)對(duì)穩定陽離(≥≥≥lí)子(zǐ)基團的(de)結構作(zuò)出了(le)大(dà)量理 ★(lǐ)論設計(jì)和(hé)驗證，并開(kāi)發了(le)包括芳₹γ香類季铵鹽、非芳香環胺型鹽、咪唑類基團、胍基類基團、哌σ$α啶類基團等多(duō)種化(huà)學結構穩定的(de)功能(néng)基團。其中，咪唑類基γ™γλ團具備與季铵基團相(xiàng)似的(dλ∞∑e)離(lí)子(zǐ)傳導能(néng)力，制(zhì)備方法簡單★✔、成本較低(dī)，但(dàn)是(shì)由于咪唑基團的(de)C2位質子(€∏zǐ)酸性較強，在強堿條件(jiàn)下λ♥(xià)極易發生(shēng)開(kāi)環反應₽•♠，因此，對(duì)咪唑基團C2位取代基的(de)研究受到(dào)關注；美(měi)國(guó)Versogen公司的(de)PiperION系αδ£$列和(hé)我國(guó)億緯氫能(néng)的(de)Alkyλγmer系列陰離(lí)子(zǐ)交換膜選擇哌啶基團作(zuò)為(wè€↔i)陽離(lí)子(zǐ)基團，使得(de)離(lí)子( £zǐ)傳導率大(dà)幅提升至150mS/cm，且哌啶陽離(lí)子(♥¶zǐ)具有(yǒu)較高(gāo)的(de)堿穩定性←©，基于聚芳基哌啶的(de)陰離(lí)子(zǐ)交換膜的(de)性能(né€→'ng)表現(xiàn)相(xiàng)對(duì)優異，受到(♣←dào)了(le)研究人(rén)員(yuán)的(de)重視(shì)。綜上(shàng)，從(cóng)陰離(lí)子(zǐ)交換膜內(nèi ♦∞)部結構可(kě)知(zhī)，陰離(lí)子(zǐ)交換膜的(de)研究重點主要(yào)有(yǒ÷✔←u)兩個(gè)方面：第一(yī)，從(cóng)單±♠≥±體(tǐ)結構和(hé)聚合反應角度設計(jì)無醚鍵主鏈，提高(gāo)陰離(lí¶$)子(zǐ)交換膜的(de)機(jī)械穩定性。第二，開(kāi)發新型陽離(lí)子(zǐ×™×γ)基團，提高(gāo)陰離(lí)子(zǐβ γσ)交換膜的(de)化(huà)學穩定性和(hé)離(lí)子(zǐ)導電(diàn)性。2、商業(yè)化(huà)陰離(lí)子(zǐ)交換膜的(de)發展現(xiàn)狀一(yī)般來(lái)說(shuō)，在AEMWE制(zhì)氫産業(yèπ↓↑)化(huà)應用(yòng)中，陰離(lí)子(zǐ)交換膜需滿足以下(xià)✘™π↑需求：①高(gāo)離(lí)子(zǐ)電(diàn)導率、低(d≥Ω₹$ī)電(diàn)阻，保證OH-作(zuò)為(wèi)£ 生(shēng)成物(wù)、反應物(wù)與> ₽∑載流體(tǐ)在陰陽兩極之間(jiān)的(de≠♥≈)傳遞；②良好(hǎo)的(de)化(huàπ£←)學穩定性，電(diàn)解水(shuǐ)制(zhì)氫系統運行(xí→ ★ng)時(shí)在純水(shuǐ)或低(dī)濃度堿性水σ(shuǐ)溶液中保持長(cháng)時(shí)間(ji✔Ωān)的(de)穩定；③良好(hǎo)的(de)阻隔性，防止陰陽α≈ε兩極氣體(tǐ)直接接觸，保證低(dī)滲透水(shuǐ)和(hé)低ε± (dī)電(diàn)滲水(shuǐ)含量；④優≤↓φ異的(de)機(jī)械強度和(hé)尺寸穩定性•β≠，運行(xíng)過程中保持良好(hǎo)的(de)支撐性與抗拉伸性、溶脹率；⑤合理(↓→•lǐ)的(de)成本控制(zhì)，便于工(gōng)業(yè)化(huà)生(shē ♠®ng)産。目前，能(néng)夠自(zì)主生(shēng)産陰離"±λ(lí)子(zǐ)交換膜的(de)公司主要(yào)是(shì)德國(guασ'ó)FuMa-Tech、美(měi)國(guó)Dioxide ↓₹↔Materials、美(měi)國(guó)Versogen、加拿(★™÷₹ná)大(dà)Ionomer以及我國(g✘©€uó)的(de)億緯氫能(néng)，表5為(wèi)這(zhè)些(xiē)公司生(shēng)産的(de)陰離(lí)∞≈子(zǐ)交換膜的(de)性能(néng)數(&←₽shù)據，與PEM相(xiàng)比，商業(yè)化(hu₩±ε♥à)AEM仍有(yǒu)不(bù)足，難以同時(shí)兼顧機(jī)械穩定性和(§≤hé)離(lí)子(zǐ)電(diàn)導性。從(cóng)結構穩定性來(lái)看(kà≥<♦✘n)，AEM與PEM的(de)拉伸應力差不(bù)多(duō)，但(dàn)是(shì)斷裂₽≥↕伸長(cháng)率遠(yuǎn)低(dī)于PEM（∞×東(dōng)嶽氫能(néng)水(shuǐ)電(diàα₩n)解制(zhì)氫質子(zǐ)交換膜的(de)斷裂伸長(ch'€áng)率達到(dào)200%~280%）。>→©★從(cóng)離(lí)子(zǐ)電(diàn)導率來(lái)看(kàn)，π∑↑¥大(dà)部分(fēn)商業(yè)化(™✔₹huà)的(de)PEM在1.00meq/g離(lí)子(zǐ)交換容量✔↔下(xià)，H+電(diàn)導率能(néng)夠達到(dào)100✘€mS/cm以上(shàng)，而AEM的(de)在相(xiàng)同的(de)離♥×(lí)子(zǐ)交換容量下(xià)，OH-<φ 電(diàn)導率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不(bù)足，OH-的(de)遷移率約為(wèiΩ)H+的(de)50%。表5 代表性商業(yè)化(huà)陰離(lí)子(zǐ)交γ×γ★換膜物(wù)性對(duì)比表三、AEM制(zhì)氫國(guó)內(nèi)外(w¶σài)商業(yè)化(huà)發展現(x★ ↔∑iàn)狀
1、AEM制(zhì)氫初步商業(yè)化(hu₩λà)，國(guó)內(nèi)外(wài)未形成明(míng)顯代差目前，全球AEM電(diàn)解水(shuǐ)制(zhì)氫的(de)>←≈σ商業(yè)化(huà)仍處于起步階段，各國(guó)AEM電(diàn<®•↔)解技(jì)術(shù)均處于同一(yī)梯次，未形成明(míng)顯代差。2019年(nián)，德國(guó)Enapter公司推出全球首款模塊化(huà)的(de)£♥AEM商業(yè)産品Electrolyser EL&π→ 2.1，該産品能(néng)耗為(wèi)4®↓≥¥.8kWh/Nm3，單個(gè)模組氫氣産率僅為(wèi)500NL/h（約合♥♥β 1.08kg/天），難以滿足現(xiàn)有(yǒu)α$→±情況下(xià)各種制(zhì)氫需求應用(yòng)場(chǎng)景。π✘2020年(nián)至2022年(nián)，各國(guó)政府開(kāi) δ始重視(shì)AEM水(shuǐ)電(diàn)解技(jì)術(s¶'hù)。歐盟于2020年(nián)啓動三個(gè)2kW的(de)AEM電(diàn)解研發項Ω✘←$目，并于2021年(nián)12月(yuè)組成項目集群(AEMH• UB)，韓國(guó)科(kē)研院也(yě)參♠ε與其中；美(měi)國(guó)能(néng)源部于2021年(nián)6月(↔↔yuè)推出“能(néng)源攻關計(jì)劃”，計(jì)劃在未來(lá±≈i)10至15年(nián)內(nèi)集中攻關推進能(néng)源若幹關鍵領域的(de'✔)科(kē)技(jì)創新，多(duō)項AEMWE項目受到(dà✔₩∞★o)美(měi)國(guó)國(guó)£¥¶₹家(jiā)部門(mén)資助；我國(guó)科(kē)技(jì)部于2022年(niá§₩®≈n)在“催化(huà)科(kē)學”重點專項項目申報(bào)指南(nán)中設“陰×'離(lí)子(zǐ)交換膜電(diàn)解水(s≈≠♣huǐ)制(zhì)氫研究”專項。2023年(nián)至今，各國(guó)AEMWE電(di₹ àn)解槽商業(yè)化(huà)研究出具成效，從(cóng)最初的(de)≈$π千瓦級到(dào)目前250兆瓦級成功問(wèn)世，2024年(nián)将陸續開•♦(kāi)展試點工(gōng)作(zuò)（表6所示）。表6 國(guó)內(nèi)外(wài)AEMΩWE技(jì)術(shù)商業(yè)化(huà)進展值得(de)注意的(de)是(shì)，相(xiàng)較于PEMWE而言，國(guó)內₩(nèi)外(wài)對(duì)AEMWE的(de)研究時(sh∑&βí)間(jiān)差距并不(bù)是(shì)很(hěn)大(dà)，未形成明(míng)顯代差，但(dàn)是(shì)歐洲和(hé)北(běi)美(měi₽')地(dì)區(qū)憑借過往PEMWE的(de)成熟技(jì)術(shù)ε經驗，已成功完成250兆瓦的(de)電(dià£↓n)解槽，而我國(guó)目前還(hái)處δ≤于100千瓦電(diàn)解槽的(de)試點項目。如(rú)果今年(nián)年(nián)底億緯氫能(nγ♦éng)能(néng)夠成功推出MW級AEM電(diàn↔©$)解槽及制(zhì)氫系統，将推動我國(guó)AEM制(zhì)氫技(jì)術(shù)更進一♠←>₩(yī)步。2、頭部公司開(kāi)展海(hǎi)外(wài)市(shì)場(chǎngβσ©£)合作(zuò)，推進AEMWE商業(yè)化(huà)應用(₩¶yòng)國(guó)內(nèi)外(wài)AEMWE産品生(shēng)♠©産廠(chǎng)商幾乎一(yī)家(jiā)獨大(dà)，在各自(zì₹ ♣♥)地(dì)區(qū)形成較強的(de)技(jì)術(shù)壟斷與技(jì)術(₩δ♥shù)壁壘，近(jìn)年(nián)來(lái)，各公司與海(hǎi)外(wài)公司簽訂合φ≥¶作(zuò)協議(yì)，一(yī)方面促進AEMWE的(de)研究推進與項目試點，另一(yī)方≠$<↕面加速搶占市(shì)場(chǎng)，實現(x↓↔∏§iàn)先發優勢。海(hǎi)外(wài)市(shì)場(chǎng)£✔ &合作(zuò)與市(shì)場(chǎng)布局最快±π✘≠(kuài)的(de)是(shì)德國(guó)Enapt®"er公司，目前已與歐洲、亞太地(dì)區(qū)展開(kāi∑↑≈)相(xiàng)關合作(zuò)。2022年(nián)5月(yuè)，Enapter與英國λ≤ (guó)莊信萬豐建立戰略合作(zuò)夥伴關系，莊$信萬豐向Enapter投資2000萬歐元，為(w₩≥'èi)加速AEM技(jì)術(shù)的(de)擴展提供協同效應，雙方将進行(xíng)長(c σháng)期合作(zuò)，并共同探索生(shēng)産廢≥"←料和(hé)報(bào)廢組件(jiàn)和(hé)設備的(de)再處理(lǐ)和(hé→>✘$)回收方案。2023年(nián)1月(yu≤≈è)，Enapter與韓國(guó)公司簽訂兩台AEM電(diàn)解槽訂單，總容量★©β為(wèi)2MW，将用(yòng)于濟州島的(de)12.5MW氫氣試點項目。202≈™≈γ3年(nián)2月(yuè)，Enapter≥>™•與法國(guó)系統集成商VINCI Energies簽署至$§♠少(shǎo)五年(nián)的(de)合作(zuò)協議(yì)，Enapter将提供能(π→•₩néng)夠每天生(shēng)産約45®Ω0公斤綠(lǜ)氫的(de)AEM多(duō)核電(diàn)解槽，VINCI Energie≤<'≤s的(de)德國(guó)業(yè)務部門Ω₽(mén)将其與必要(yào)的(de)基礎設施和(hé)相(xiàngαλ'&)關輔助設備一(yī)起集成到(dào)客戶的(de)綠(lǜ)色制(zhì)氫設施γ中，共同建設滿足行(xíng)業(yè)性能(néπ>ng)和(hé)成本要(yào)求的(de)氫§σ©™工(gōng)廠(chǎng)。2023年(nián)7&γ月(yuè)，Enapter為(wèi)日(rì)本東(dōng)京天©σ然氣公司旗下(xià)Senju加氫站(zhàn)交付30台AEM EL 2.1≤β&電(diàn)解槽和(hé)15台幹燥設備，這(zhè∞¶)是(shì)亞洲第一(yī)個(gè)使用(yòng)AEM電(diàn)解÷σ↓∞槽的(de)商業(yè)化(huà)站(zhàn)內(nèi)制(zhì)氫加氫站(zhàn)。2♦♠023年(nián)8月(yuè)，Enapter與我國(guó)卧龍電(d≈εiàn)驅公司簽署一(yī)份價值600萬歐元（合6ε€≠50萬美(měi)元）的(de)框架供應合同，Enapter為(wèi)中國(☆→guó)客戶提供5MW多(duō)核系統和(hé)1∑30台單核AEM電(diàn)解槽，并于✘←↓×2024年(nián)1月(yuè)29日(rì)簽訂λ←÷δ合資協議(yì)，雙方将在中國(guó)成立合資公司，共¶ 同緻力于AEM電(diàn)解槽技(jì)術(shù)相(xiàng)關産品在中國(≤ ÷guó)區(qū)域的(de)發展。圖4 德國(guó)Enapter公司AEM研發與國(guó)際合作(zuò) ↔曆程除德國(guó)Enapter公司外(wài)，美(měi)國(guó)Versogen公 ÷÷司于2022年(nián)10月(yuè)獲得(de)鬥山(shān)公司、科(k♣'γē)慕公司、TechEnergy Ventures等公司1$>×±4.5百萬美(měi)元的(de)A輪融資，該資金(jīn)将支持Versogen下(xi∏ à)一(yī)代電(diàn)解槽堆的(de)開(kāi)發和(hé)原β✔α∑型，并擴大(dà)其專利陰離(lí)子(z >ǐ)交換膜的(de)生(shēng)産；我國(guó)中電(diàn)綠(lǜ♦×₩)波公司于2023年(nián)8月(yuè)推出的(§♦>de)10Nm³/h陰離(lí)子(zǐ)交換膜電(diàn)解槽中，非貴金'÷(jīn)屬觸媒電(diàn)極是(shì)基于其合作(zuò) <夥伴Ionomr旗下(xià)的(de)Aemion系列薄膜☆↑≠×；我國(guó)穩石氫能(néng)公司于2023年(nián)9月(yuè)中标一(yī)個(g¥δ★↔è)國(guó)外(wài)10kW的(de)AEM制(zhì)氫示範項目<©♠Ω。3、國(guó)産AEM電(diàn)解槽發展迅速，商業(yè)化(huà)φα規模尚小(xiǎo)國(guó)內(nèi)AEM水(shuǐ)電(diàn)解相(xià₹λ ng)關産品的(de)發布大(dà)多(duō)開(kāi)始于2£φ023年(nián)，億緯氫能(néng)、"βδ≈穩石氫能(néng)、北(běi)京未來(lái)氫能(néng)等公司已推出2.5-100kW的₽ ₹(de)AEM電(diàn)解槽産品，但(d"±"àn)是(shì)僅在科(kē)研院所、電(diàn)廠(chσ€∑ǎng)、化(huà)工(gōng)等領域實現(xiàn)小(xiǎo)規模應用(yòng←©)。表7 國(guó)內(nèi)AE←★MWE相(xiàng)關産品的(de)研究與生(shēng)産階段國(guó)內(nèi)沒有(yǒu)大(dà)規模商業(yè)化(hu≈Ω♥₹à)應用(yòng)主要(yào)有(yǒu)以下✔ ε(xià)兩個(gè)制(zhì)約因素：第一(yī)，國(guó)內(nèi)實現(xiàn)陰離(l♣γ✔í)子(zǐ)交換膜自(zì)主生(shēng)産的(de)公司很(hěn)少(shǎo)。截止2024年(nián)4月(yuè)，國(gu ó)內(nèi)僅億緯氫能(néng)一(yī)家(jiā)™↓∏☆公司在官網上(shàng)展示了(le)自(zì)産A€↔∞∞EM膜産品的(de)各項性能(néng)指标，是(shì)國(guó)內©♦$(nèi)唯一(yī)一(yī)家(jiā)集AEM研發、量産和(₹'★hé)銷售為(wèi)一(yī)體(tǐ)的(de)科(kē)創型公司，其餘已實現(xiàn)AE♠₽™M膜研究并計(jì)劃小(xiǎo)規模生(shēng)産的(de♥≈≈∑)隻有(yǒu)穩石氫能(néng)和(hé)清能(né ≤ng)股份兩家(jiā)公司，而東(dōng)嶽集團、天維膜技(jì)術(shù)有(♠♠↑yǒu)限公司還(hái)處于AEM膜的(de)研究階段。目前，高(gāo)導電(diàn)性與強機(jī)械性并存的(de)AEM還(h₹↑✔→ái)停留在實驗室研發階段，國(guó)際上(shàng)生(shēng)産的(de✘§×)AEM也(yě)各有(yǒu)優缺點，國(guó)産AEM尚有(yǒu)技(jì)術α¶λπ(shù)突破的(de)可(kě)能(nén•"♦g)性。第二，AEM電(diàn)解槽缺少(shǎo)大(dà)标方産品，成為(wèi)制(zhì)≤±™↑約其大(dà)規模商品化(huà)的(de)難點之一(yī)£≠γ。目前AWE電(diàn)解槽單槽已經開(kāi)始向1000Nm³/h以上(shàng¥γ★↕)邁進，PEM電(diàn)解槽≥50Nm³/₩≠h的(de)産品也(yě)已經處于示範期。而AEM電(diàn)解槽單槽産品還(hái)¶§Ω停留在0.5~10Nm³/h之間(jiān)，主要(yào)應用(yòng)于小(xiǎo)型↓←↓制(zhì)氫示範項目中，例如(rú)北(běi)京未來(™σ'"lái)氫能(néng)公司向國(guó)內(nèi)大(dà)型σ÷央企交付的(de)産品為(wèi)單槽3Nm³↕"♦/h的(de)AEM電(diàn)解水(shuǐ)系統±§。小(xiǎo)标方産品很(hěn)難滿足我國(g≈uó)西(xī)北(běi)、西(xī)南(nán)等地(dì)區(qū)大(dà)型可(kě)再£生(shēng)能(néng)源電(diàn)解水(sh✔♦εσuǐ)制(zhì)氫綜合示範項目的(de)采購(gòu)标準。四、總結
1、AEM電(diàn)解槽綜合AWE和(hé)PEM電(diàn)解φ ®槽的(de)優勢，被認為(wèi)是(shì)最具發£×☆©展前景的(de)電(diàn)解水(shuǐ)制✘<≤(zhì)氫技(jì)術(shù)。2、開(kāi)發高(gāo)離(lí)子(zǐ)電(diàn)導率、 ✔高(gāo)強度和(hé)高(gāo)化(huà)學穩定性的(de)陰離(lí)子(zǐα§γ©)交換膜是(shì)AEMWE制(zhì)氫技(jì)術(shù)突破發展∏Ω瓶頸的(de)重中之重。3、國(guó)內(nèi)外(wài)AEMWE技(jì)術(shù)沒有(yǒu)形成明(≠εmíng)顯代差，均處于研發階段和(hé)初π∑期市(shì)場(chǎng)應用(yòng)階段，且各公司通(tōng)過資本、技(jì)§™術(shù)、市(shì)場(chǎng)等方面的(de)合作(zuò)來(lφ≠≠$ái)推進AEMWE的(de)商業(yè)化(hΩα↔§uà)應用(yòng)。我國(guó)有(y™€ ǒu)望在本輪技(jì)術(shù)發展中占領較大(dà)市(shì)場(chǎng)份額÷ 。4、AEM水(shuǐ)電(diàn)解制(zhì)氫技(jì) 術(shù)發展時(shí)間(jiān)較短(duǎn)，陰離(↔♥lí)子(zǐ)交換膜在性能(néng)、耐久度以及工(gōng)程實際應用(yòng)效&'果還(hái)需要(yào)展示更多(duō)的(de)真實數(shù)據，才能(n®≥≠éng)研判該技(jì)術(shù)路(lù멶)線的(de)實際進展和(hé)未來(lái)發展。
瑞見(jiàn)——瑞鵬行(xíng)研
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