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AEM制氢技术进展及经济性分析

1、离子交换膜(AEM)水电解制氢

AEM在某种程度上是PEM和传统的隔膜基碱液电解的混合。AEM电解槽原理如图3所示，在阴极，水被还原产生氢气和OH–。OH–通过隔膜流向阳极，在阳极表面重新结合产生氧气。

Li等研究了高度季铵化聚苯乙烯和聚亚苯基AEM高性能水电解槽，结果表明，在85℃时，1.8V电压下的电流密度为2.7A/cm2。当以NiFe和PtRu/C为催化剂进行制氢反应时，电流密度显著下降至906mA/cm2。Chen等研究了高效非贵金属电解催化剂用于碱性聚合物薄膜电解槽。在不同温度下，分别用H2/NH3、NH3、H2、N2气体还原NiMo氧化物合成电解制氢催化剂。结果表明，H2/NH3还原的NiMo–NH3/H2催化剂性能最优，在1.57V，80℃时，电流密度高达1.0A/cm2，能量转化效率为75%。德国Evonik工业公司在其现有的气体分离膜技术的基础上，开发了一种专利聚合物材料，可用于AEM电解槽，目前在中试线上扩大膜生产，下一步是验证系统的可靠性并提高电池规格，同时扩大生产。

目前，AEM电解槽面临的主要挑战是缺少高电导率和耐碱性的AEM，以及贵金属电催化剂增加了制造电解装置的成本。同时，CO2进入电解槽薄膜会降低膜电阻和电极电阻，从而降低电解性能。未来AEM电解槽发展的主要方向是：①发展具有高导电率、离子选择性、长期碱性稳定性的AEM。②克服贵金属催化剂成本高的问题，开发不含贵金属且高性能的催化剂。③目前AEM电解槽的目标成本是20美元/m2，需要通过廉价原材料和减少合成步骤降低合成成本，从而降低AEM电解槽整体成本。④降低电解槽内CO2含量，提高电解性能。

Li等研究了高度季铵化聚苯乙烯和聚亚苯基AEM高性能水电解槽，结果表明，在85℃时，1.8V电压下的电流密度为2.7A/cm2。当以NiFe和PtRu/C为催化剂进行制氢反应时，电流密度显著下降至906mA/cm2。Chen等研究了高效非贵金属电解催化剂用于碱性聚合物薄膜电解槽。在不同温度下，分别用H2/NH3、NH3、H2、N2气体还原NiMo氧化物合成电解制氢催化剂。结果表明，H2/NH3还原的NiMo–NH3/H2催化剂性能最优，在1.57V，80℃时，电流密度高达1.0A/cm2，能量转化效率为75%。德国Evonik工业公司在其现有的气体分离膜技术的基础上，开发了一种专利聚合物材料，可用于AEM电解槽，目前在中试线上扩大膜生产，下一步是验证系统的可靠性并提高电池规格，同时扩大生产。

目前，AEM电解槽面临的主要挑战是缺少高电导率和耐碱性的AEM，以及贵金属电催化剂增加了制造电解装置的成本。同时，CO2进入电解槽薄膜会降低膜电阻和电极电阻，从而降低电解性能。未来AEM电解槽发展的主要方向是：①发展具有高导电率、离子选择性、长期碱性稳定性的AEM。②克服贵金属催化剂成本高的问题，开发不含贵金属且高性能的催化剂。③目前AEM电解槽的目标成本是20美元/m2，需要通过廉价原材料和减少合成步骤降低合成成本，从而降低AEM电解槽整体成本。④降低电解槽内CO2含量，提高电解性能。

我国以可再生能源(如风电、光伏、水电)进行电解水制氢，电价控制在0.25元/kWh以下时，制氢成本具有相对经济性(15.3~20.9元/kg)。碱性电解与PEM电解制氢技术经济指标见表1。

3、结语

在绿氢价格大幅降低前，天然气仍将用于生产蓝氢，尤其是在天然气储备充足和基础设施完善的地区。事实上，由于甲烷具有较高氢碳比，CO2排放相对较少，化石燃料天然气仍是目前氢气生产的最主要来源。人们对绿氢将成为能源组合中的主要参与者的期望需要慎重考虑。从可再生能源到现有电力部门脱碳的增长需求是非常重要的，因此，出于商业原因，短期到中期需将重点放在蓝氢上。然而，绿氢LCOH的下降曲线将决定绿氢在商业价格上超过蓝氢的时间，尽管市场规模将受到可再生能源可用性的限制，但这个商业超越时间可能很快就会到来。