离子传导膜是核心技术

在能源需求增加和自然资源匮乏的背景下，氢能技术被视为能源转型的新希望。氢气既是化学工业的关键原材料，也可作为一种无碳燃料，用于工业、交通领域。“绿色制氢”指利用可再生能源发电，通过水电解制得氢能。这是一种绿色、清洁的能源生产方式，可以实现能源生产的“去碳化”。然而，相比大部分工业制氢采用的碳基能源（例如甲烷）蒸汽重整工艺，绿色制氢的成本居高不下。尽管利用可再生能源发电的成本较低，但电解槽的投资成本相对高昂。

离子交换膜是电解槽的核心部件，对电解效率和电解可靠性至关重要。目前，赢创成功开发了一种新型阴离子交换膜（AEM），有望突破绿色制氢的现有瓶颈。“凭借这一创新膜技术，我们希望实现绿色制氢的商业化，并使其具备经济效益和高效率。”赢创战略创新部门Creavis，负责膜技术创新的Oliver Conradi表示。

碱性水电解制氢（AEL）是现有工艺中应用最广泛的一种。在高浓度氢氧化钾溶液中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应。在阴极，水分子在阴极分解成氢离子（H+）和氢氧离子（OH-），氢离子与来自阴极的电子结合形成氢气，氢氧离子则到达阳极，生成氧气和水。为了确保分隔开反应产物，避免其重新结合引起爆炸，在电解槽的阳极与阴极之间需设置一层隔膜。为了让气体通过，AEL采用多孔结构的隔膜，因而限制了设备在受压条件下的操作。为了方便存储或运输，制成的氢气需进行压缩，因此会产生额外的能源消耗。此外，多孔膜仅适用低电流密度，即每平方厘米的膜表面最多可承受600毫安电流。

另一项技术是质子交换膜（PEM）电解制氢。在这一技术中，质子交换膜不仅用于分隔反应产物，还可以使电解池的设计更紧凑，因其由导电聚合物组成，而电极位于膜的两侧，待电解的水流经阳极，产生的氢离子从阳极侧穿过质子交换膜到达阴极，在阴极反应后生成氢气分子。相比AEL系统，PEM电解槽不仅能承受更高的电流密度，还能应对更大的负载波动。由于这一技术可以在受压条件下实现，后续氢气压缩所消耗的能量也更少。尽管PEM系统在技术上具有一定优势，但投资成本极其高昂。“PEM在酸性条件下反应，电解系统的材料必须具备优异的耐腐蚀性能，且需要铂、铱等贵金属制成的催化剂；而电解小室必须由钛甚至铂钛制成。” Conradi解释。

与AEL或PEM工艺相比，赢创的阴离子交换膜（AEM）电解结合了两者的优势。AEM电解槽的结构与PEM相似：由离子传导塑料制成的膜（又称离聚物）将电极分隔于膜的两侧。电极同样由离聚物制成，并掺入催化剂颗粒。“与PEM不同的是，AEM的电解槽可以依靠镍基等非贵金属催化剂，从而有效减少材料成本。” Conradi说。同AEL工艺，AEM的反应将在碱性的环境中进行。水在阴极被电解，并生成氢气。AEM电解技术的其他特点还包括可承载高电流密度、效率高、灵活性强。

尽管研发工作已取得初步进展，实验室的重点仍是优化膜的配方。“影响其效率的一个重要因素是膜与电极之间的接触电阻。为了使电阻尽可能小，我们需要在膜与电极之间建立良好的离子连接。所以，我们不仅需要继续优化膜的聚合物配方，还需定制开发一款用于该膜的电极粘结剂。” Conradi说道。此外，团队还在进一步优化涂敷等工艺，以实现膜材料的量产。

赢创的目标是开发整套电解系统，从而实现可再生能源大规模制氢。为此，公司正与其他伙伴积极展开合作。在这一名为CHANNEL的研究项目中，包括电解槽开发商Enapter、能源公司壳牌，德国于利希研究中心、挪威科技工业研究所在内的企业和研究机构将基于赢创的膜技术，设计、搭建并测试AEM电解系统。相关技术验证模型有望在2022年推出。而在中国，这一技术也引起了不少兴趣。目前，赢创正积极寻求本地合作伙伴，推进相关研究进程。