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近期，全球范圍內對陰離子交換膜電解水（AEM-WE）的關注度持續(xù)上升，這不僅體現(xiàn)在技術研究的深入，也反映在商業(yè)化應用的快速推進上。

當前氫能領域在應用端表現(xiàn)疲軟，PEM電解水制氫（PEM-WE）發(fā)展信心不足的背景下，AEM-WE制氫因其結合了堿性電解水（ALK）的低成本優(yōu)勢和PEM-WE的低運營成本、加壓和超純H2生產(chǎn)、安全性提高等優(yōu)勢，而受到廣泛關注。

AEM-WE制氫會取代PEM-WE制氫，成為新風口嗎？

圖1 (A)ALK，(B)PEM-WE和(C)AEM-WE的原理圖

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國內外AEM電解水市場進展

AEM電解槽技術在國內外市場均取得顯著進展，國外企業(yè)在亞洲首次進行商業(yè)化部署，而中國企業(yè)如穩(wěn)石科技等也在積極推動AEM電解槽的產(chǎn)業(yè)化，標志著該技術進入新的發(fā)展階段。

1.1 在國外市場上，德國Enapter AG公司已向東京天然氣公司旗下Senju加氫站交付了30臺AEM EL 2.1型電解槽和15臺干燥設備，標志著亞洲首個使用AEM電解槽的商業(yè)化站內制氫加氫站的誕生。此外，2024年1月消息，Ansaldo Green Tech公司也完成了全尺寸AEM電解槽短堆原型測試，并計劃生產(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工業(yè)規(guī)模試點項目，預計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 在國內市場，2024年國內有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日宣布正式中標全球首套單系統(tǒng)1.25MW-AEM（陰離子交換膜）電解水制氫項目，刷新了目前全球最大單系統(tǒng)功率AEM制氫項目的紀錄，同時也開啟了國內兆瓦級AEM商業(yè)化應用示范，這標志著AEM電解水制氫技術的產(chǎn)業(yè)化進入了新的階段。

國內市場多家企業(yè)看好AEM電解水未來的發(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、奧揚科技、清能股份、北京未來氫能、中電綠波、浙江億孚科技、易普斯、泰極動力、水沐氫華、北京動氫新能、安徽聚石氫友、嘉膜科技、泰極動力、東岳集團、莒納科技、漢丞科技、易普斯、德林海等國內企業(yè)均已開始布局AEM電解槽市場。

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AEM今年為何受到關注？

AEM市場的火熱可以歸納為氫能市場的推動的前提下，風能/太陽能電力占比逐步增大作為背景，在對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前景的AEM賽道。

具體可以分為四個方面：

2.1 綠氫市場的發(fā)展動力：在全球范圍內，對可再生能源和減少碳排放的重視不斷增強。在此背景下，綠氫作為一種清潔的能源載體，其生產(chǎn)與應用逐漸受到廣泛關注。盡管燃料電池市場目前表現(xiàn)并不強勁，但市場參與者逐漸認識到，要實現(xiàn)燃料電池技術的大規(guī)模商業(yè)化，關鍵在于大規(guī)模生產(chǎn)綠氫。因此，市場的關注焦點已從前幾年的應用端轉向制氫端，這一轉變?yōu)殛庪x子交換膜電解水（AEM）技術的發(fā)展提供了機遇。

2.2 風能/太陽能電力占比逐步增大的背景：在風能/太陽能電力在能源結構中的比重日益增加的趨勢下，可適應波動性能源的綠氫制備技術顯的尤為重要。當前市場上的制氫技術可分為三類：低溫、中溫和高溫電解水技術。然而，中溫和高溫電解槽最適宜在恒定負載條件下運行，且不易頻繁啟/停，這限制了它們在應對風能和太陽能這類波動間歇性能源時的應用。

在這一背景下，只有低溫電解水技術可以符合要求，目前市場上存在兩種低溫電解水技術：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)，導致市場信心有所下降，這也促使行業(yè)將目光轉移到了另一種低溫電解水技術——AEM-WE。

2.3 希望搶占未來市場：目前市場存在一種觀點，認為隨著 AEM-WE 技術的突破，PEM-WE技術可能會變得不再必要，甚至被認為是過渡性產(chǎn)品。這種觀點也讓許多企業(yè)可能會跳過PEM-WE技術的研發(fā)，直接布局AEM-WE技術，以搶占未來市場。然而，這種觀點可能忽略了兩種技術的各自優(yōu)勢和適用場景。直接布局AEM技術可能是一個搶占未來市場的策略，但同時也需要考慮技術的成熟度和市場的接受程度。

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

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AEM制氫優(yōu)勢

AEM-WE有可能以顯著降低的成本運行，無需在組件中使用貴金屬和含氟聚合物膜，更簡易的操作條件，為大規(guī)模和可持續(xù)生產(chǎn)綠色 H2 開辟了新途徑。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（OER）的銥（Ir）和用于氫析出反應（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，這使得其供應具有地理集中性。此外，這些催化劑的成本波動不可預測，進一步增加了其使用的風險。

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。這種技術降低了對稀有資源的依賴，同時提供了一種更為經(jīng)濟和可持續(xù)的能源轉換方案

3.2 目前 PEM-WE技術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)過程中，會排放氟碳氣體，這對環(huán)境造成了顯著的負面影響。鑒于此，歐盟委員會正在積極推動限制這些含氟材料的未來使用。預計到2027年，將實施全面的禁氟令，這無疑將對依賴氟化物膜的PEM-WE技術構成挑戰(zhàn)，其未來的發(fā)展方向和可行性仍然是一個需要關注的問題。相比之下 AEM-WE技術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，從而在長期內避免了與環(huán)境影響相關的隱患。此外，與PEM膜相比，AEM膜的成本更低，這進一步增強了其在市場上的競爭力。

圖2 歐盟關于“氟禁令”的立法程序時間表（圖片來源：OPRD）

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

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AEM-WE的發(fā)展障礙在哪里？

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

4.1 陰離子交換膜和離聚物

AEM 必須：(i) 離子導電；(ii) 熱穩(wěn)定；(iii) 機械穩(wěn)定；(iv) 化學穩(wěn)定；(v) 電化學穩(wěn)定，并且為了使它們更具吸引力，它們還需要低成本、易加工并可通過持續(xù)工藝生產(chǎn)�，F(xiàn)實是，有必要在機械強度和離子電導率之間做出妥協(xié)。雖然增加 AEM 官能團的負載可能有利于離子電導率，但這會增加吸水量，從而降低機械穩(wěn)定性。相反，官能團含量較低可能會導致離子電導率較低，因此 AEM-WE 性能較低。

此外市場上有售的AEM膜，但由于生產(chǎn)規(guī)模小，價格仍然非常昂貴，目前在成本上無法與商用 PEM 競爭。

最后，目前對于是否滿足耐久性要求，還需要進一步進行研究和評估。

圖3 陰離子交換膜 （來源：億緯氫能）

4.2 PGM-Free 催化劑

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

4.3 多孔輸送層

AEM-WE 中陽極 PTL 的首選材料是鎳。事實上，鎳在0V 以上（vs RHE），氧化產(chǎn)物是氧化物或氫氧化物，會使表面鈍化。在 AEMWE 中，陽極 PTL 通常是泡沫鎳，而陰極可以是泡沫鎳或碳布。迄今為止，PTL 仍然是研究的焦點和難點，因為它們的優(yōu)化對提高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）的集成對于性能和耐久性的提高至關重要，同時也對于從稀KOH或K2CO3轉換為近未來的純水供給至關重要。在當前MEA制造狀態(tài)下，必須研究和優(yōu)化催化劑、離聚物和膜的適當組合，以提高電極的離子導電性。

還應該探索不同方法來來優(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的機械問題必須得到解決。在催化層中結合的AEI仍然存在一些未解決的問題，涉及其在陽極和陰極催化過程中的作用。其他組件，如PTL，應進行優(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會成為風口嗎？

AEM-WE技術是否能夠成為新的風口，取決于短期與PEM-WE技術之間的競爭結果。盡管AEM-WE制氫技術結合了ALK和PEM-WE的優(yōu)點，被寄予厚望。然而，AEM技術在大規(guī)模工業(yè)化應用方面仍面臨挑戰(zhàn)，包括陰離子交換膜和離聚物的開發(fā)、非貴金屬催化劑的設計、多孔傳輸層的選擇以及膜電極組件的匹配等。這些技術難題的解決速度將直接影響AEM-WE的市場競爭力。

而PEM-WE在市場上是有先發(fā)優(yōu)勢的，目前仍存在技術路線的領先性，相關企業(yè)不斷通過提升產(chǎn)氫效率和降低成本來維持其市場地位。根據(jù)市場調研，PEM電解水技術已在加氫站現(xiàn)場制氫、風電等可再生能源電解水制氫、儲能等領域得到示范應用并逐步推廣，過去5年，PEM電解槽成本已下降了40%，電堆成本降幅趨勢還在持續(xù)加大。

因此，AEM-WE技術的未來發(fā)展不僅取決于其自身的技術突破，還取決于與PEM-WE技術的競爭態(tài)勢。

如果AEM-WE能夠在核心材料層面取得技術突破，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域的新風口。反之，如果在此之前，PEM-WE技術能夠更快地適應市場需求并降低成本，AEM-WE的市場份額可能會受到限制。

AEM-WE的發(fā)展會隨著膜材料的技術突破而出現(xiàn)爆發(fā)式增長，所以留給兩者競爭的窗口期并不會太長。而這一競爭過程將決定未來氫能市場的技術走向和產(chǎn)業(yè)格局。

       原文標題 : AEM制氫會取代PEM制氫，成為新風口嗎？