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技術(shù)|AEM電解槽:如何理解其兼具PEM和ALK的優(yōu)勢?

AEM電解槽因其膜特性,在結構上擁有更多選擇。

傳統大家熟知的電解槽分類(lèi)主要為ALKPEMAEMSOEC等,其命名或是按照電解質(zhì)或是按照膜材料類(lèi)型。但如果只看各類(lèi)電解槽采用的膜的性質(zhì)來(lái)劃分,則可分為大致有編織膜、離子膜、固體電解質(zhì)3種。其中質(zhì)子交換膜(PEM)與陰離子交換膜(AEM)兩類(lèi),均為離子膜。

但AEM因其膜特性,它在結構上又擁有更多選擇。一方面,AEM電解槽所采用的的AEM膜,與PEM膜具有相似的致密性、易負載性,故其在技術(shù)路線(xiàn)選擇上既可以走PEM電解槽的膜電極式路線(xiàn);另一方面,因其在堿液中導電性較好,也可以走類(lèi)似ALK(本文中有時(shí)也會(huì )命名為“編織膜堿性電解槽”)的結構路線(xiàn),因此在結構設計、催化劑等方面的選擇面也更廣、更具靈活性。

能景研究整理了AEM電解槽相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)以及其在規;茪浞矫娴穆肪(xiàn)選擇,闡述其因結構特點(diǎn)帶來(lái)的差異化優(yōu)勢,供行業(yè)參考。但值得說(shuō)明的是,目前技術(shù)仍處于早期,性能、壽命、可靠性也仍然面臨著(zhù)不確定性,尤其是膜的技術(shù)突破成為關(guān)鍵。

01 AEM膜電極式結構:類(lèi)似PEM,但零部件可選面更多

AEM膜電極式結構是現階段AEM電解槽的主流結構路線(xiàn),如德國Enapter的EL4.0電解槽、國內億緯氫能近期推出的100kW級AEM電解槽等采用此技術(shù)路線(xiàn)(技術(shù)細節或存在差異)。

AEM電解槽的膜電極式結構與PEM電解槽相似。主要由AEM膜電極、極板兩部分組成。其中,AEM膜電極是決定AEM電解槽性能的最核心零部件,由陰陽(yáng)極催化劑、AEM膜、陰陽(yáng)極擴散層3部分結合在一起制成。

 

AEM膜電極式結構的工作原理與PEM電解槽相似。

AEM膜電極式可以使用純水或堿性電解液,其中使用的堿性電解液的濃度可以較低(如5%KOH),起到提高導電性并維持兩極非酸性環(huán)境的作用。AEM膜電極式工作時(shí),水分子在膜電極的陰極被電還原成氫氣,產(chǎn)生氫氧根,之后氫氧根通過(guò)AEM膜傳輸到陽(yáng)極,在陽(yáng)極氧化為氧氣。

與PEM電解槽的區別在于,PEM電解槽使用純水做電解液,工作時(shí)陽(yáng)極呈現強酸性與強氧化性環(huán)境,并且透過(guò)離子膜的是氫離子而非氫氧根。

AEM膜電極式結構對零部件要求相較PEM電解槽更為寬松。

AEM隔膜及隔膜材料方面,AEM膜選用帶有固定正電基團的、碳氫氮元素為主的高分子材料。而PEM膜材料選用帶固定負電基團的、全氟化高分子材料。從材料元素上看,AEM膜相較PEM膜或更具降本潛力,但具體比較時(shí)還要看AEM膜所采用的技術(shù)路線(xiàn)、高分子原料種類(lèi)及供應鏈、考慮實(shí)際壽命時(shí)的全生命周期成本。

AEM催化劑方面,有貴金屬、非貴金屬兩大類(lèi)選擇。陰極可以采用鉑、鎳等析氫性能較高的材料。陽(yáng)極有堿性電解液維持非酸性環(huán)境,可以采用釕、銥等貴金屬材料,也可以采用鎳等非貴金屬材料。而且由于不像鎳絲網(wǎng)電極一樣需要噴鍍或電鍍,可以采用一些不易噴鍍或電鍍的納米非貴金屬材料,選擇面或比PEM與編織膜堿性電解槽更廣。

AEM擴散層及極板方面,對材料防氧化、防腐蝕的要求降低。在陰極側,有碳氈、金屬網(wǎng)或金屬泡沫等選擇,與PEM電解槽相似。在陽(yáng)極側,由于有堿性電解液維持非酸性環(huán)境,可以使用鎳基等擴散層,不再局限于鈦金屬,同時(shí)可以使用鎳鍍層等代替PEM電解槽中的鉑涂層。

能景研究認為,AEM電解槽膜電極式結構,在成本、波動(dòng)響應速度等方面具有較高的提升優(yōu)勢及潛力。而其特色優(yōu)勢,更體現在可以與多種新型催化劑相適應的特點(diǎn)上,其非酸性環(huán)境、膜電極式負載,提供了應用實(shí)驗室內高性能卻不耐酸、不易鍍的非貴金屬納米催化劑的機會(huì )。

但另一方面,材料類(lèi)的開(kāi)發(fā)非一朝一夕或短期內躍遷式突破可實(shí)現的,無(wú)論是膜材料、催化劑材料、整體結構,或仍需要更多時(shí)間去中試、去優(yōu)化。

02 AEM非膜電極式結構:實(shí)現了ALK(即編織膜堿性電解槽)的高電密優(yōu)化

部分AEM電解槽在設計上并未采用膜電極路線(xiàn),而是采取了類(lèi)似于A(yíng)LK等(即編織膜堿性電解槽)的其它結構路線(xiàn),如國內中電綠波在2023年推出的10kW級AEM電解槽等( 技術(shù)細節或存在差異)。后文以類(lèi)似編織膜堿性電解槽的結構為例展開(kāi)(為方便,后稱(chēng)AEM獨立電極式)。

AEM獨立電極式結構與編織膜堿性電解槽類(lèi)似。將編織膜替換為AEM膜,其他部分主要包括電極、極板、密封墊片等,或亦采用支撐網(wǎng)。為適應AEM的機械強度、厚度等特征,在支撐結構、流程等方面的設計進(jìn)行相應設計,具體內部結構與編織膜堿性電解槽或存在差異。

AEM獨立電極式結構的工作原理與ALK(編織膜堿性電解槽)相似。AEM獨立電極式使用堿性電解液,濃度可以較低,至于使用純水則在原理上并不可行。AEM獨立電極式工作時(shí),水分子在陰極電極被電還原成氫氣,產(chǎn)生氫氧根,之后氫氧根通過(guò)電解液、AEM膜傳輸到陽(yáng)極電極,在陽(yáng)極電極氧化為氧氣。與編織膜堿性電解槽的區別主要在膜的導電機理與氣密性上。

AEM獨立電極式結構對零部件要求與ALK(編織膜堿性電解槽)有細微差別。

AEM隔膜及隔膜材料方面,AEM膜為離子導電型的致密高分子材料。而編織膜由幾乎不帶離子導電性的纖維編織而成,通過(guò)磺化工藝提升親水性,依靠細微空隙提供離子傳輸通道,在氣密性與導電性之間存在一定的矛盾性。理論上AEM膜不依靠孔隙來(lái)提升導電性,氣密性相較編織膜更高。

AEM電極方面,選型時(shí)傾向于高電流密度電極材料。其制氫催化劑主要負載在電極絲網(wǎng)上,與編織膜堿性電解槽的電極基本互通,也有鎳基、多元合金、貴金屬型等多種路線(xiàn)。但AEM電解槽在電極選型時(shí),受膜等帶來(lái)的內阻的干擾較小,有條件在控制電耗水平的前提下提高電流密度。

AEM極板、支撐網(wǎng)等方面,與編織膜堿性電解槽相似。由于工作環(huán)境相似,AEM獨立電極式結構可以選用鍍鎳極板等,與編織膜堿性電解槽類(lèi)似。但實(shí)際設計時(shí)會(huì )考慮AEM膜的厚度等設計密封、流場(chǎng)、支撐等結構。

能景研究認為,AEM獨立電極式結構,本質(zhì)上是編織膜堿性電解槽的換膜改造,通過(guò)膜的更換降低內阻,進(jìn)一步提升電流密度以及波動(dòng)響應速度。其能夠延續編織膜堿性電解槽在電極等方面的技術(shù)積累,但在極板、輔助系統等方面也要有相應的適應設計。

能景研究認為,結構創(chuàng )新作為電解槽優(yōu)化的重點(diǎn)方向之一,除以上2種路線(xiàn)之外,或還有廠(chǎng)家采用一些其他的創(chuàng )新設計,此處不做贅述。不同的結構設計,會(huì )展現出不同的性能、長(cháng)期運行特性,在不同的應用場(chǎng)景下各自存在不同的需求。最終,或將呈現出多種路徑并行的格局。

03 實(shí)現規;茪洌翰捎枚询B式或選擇大型化

AEM電解槽正由實(shí)驗室走向實(shí)際項目生產(chǎn),如何實(shí)現規;茪涑蔀槠洚a(chǎn)業(yè)轉化的一大問(wèn)題。從各廠(chǎng)家的產(chǎn)品來(lái)看,主要呈現出2種思路:

一是微型槽并聯(lián)。比如單槽功率在2.5kW、制氫0.5標方/時(shí)左右的微型槽,集成可插拔式氣液、電源接口制成微型模塊,采用420余個(gè)微型模塊達到1MW左右。該路線(xiàn)維護或相對方便,對AEM膜面積、強度以及電解槽的內部結構設計要求相對較低。缺點(diǎn)是水熱管理等或不及大型槽,能效偏低,而且儀表、接口用量大,需要搭配高密度的小型服務(wù)器進(jìn)行控制,成本較高。

二是單槽大型化。類(lèi)似PEM電解槽,單槽實(shí)現達到100kW乃至1MW。該路線(xiàn)節約了配套成本,能效上也有一定優(yōu)勢。但后期維護需要整體拆檢,成本較高,而且受限于A(yíng)EM膜材料的寬幅、機械強度等,短期內或較難達到編織膜電解槽5MW的水平。

能景研究認為,在A(yíng)EM膜材料仍未實(shí)現突破或經(jīng)過(guò)長(cháng)壽命可靠性驗證的階段,短期內產(chǎn)業(yè)上或仍將圍繞微型槽并聯(lián)或10到100kW左右的中小型槽體進(jìn)行驗證,逐漸過(guò)渡提升到MW級。

更多信息歡迎聯(lián)絡(luò )我們。

來(lái)源:能景研究作者:新云

END

       原文標題 : 技術(shù)|AEM電解槽:如何理解其兼具PEM和ALK的優(yōu)勢?

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫(xiě),觀(guān)點(diǎn)僅代表作者本人,不代表OFweek立場(chǎng)。如有侵權或其他問(wèn)題,請聯(lián)系舉報。

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