AEM比ALK拥有更快的响应速度、更高的电流密度,又因不含铂、铱等贵金属比PEM制造成本低,是结合ALK和PEM优点,在绿氢蓬勃发展当下被寄予厚望的第三代电解水制氢技术。去年以来,国内AEM制氢技术的市场活力逐步增强,开始以前所未有的速度迈向商业化。这个过程中,包括阴离子交换膜、膜电极、催化剂、气体扩散层、双极板、产测设备等相关供应链企业也“蠢蠢欲动”。
“涌向”阴离子交换膜
AEM制氢的市场活跃度在逐步提升,涌入企业在持续增多,其中如亿纬氢能、清能股份、稳石氢能、赛克赛斯氢能、氢鸾科技、卧龙英耐德、中电绿波、骤宇新能源、泰极动力、氢涞科技、正星氢能、无锡德林海、亿孚科技、几何未来能源、氢启能源等多家企业都推出或对外展示了AEM电解槽新品。与此同时,AEM电解水设备在商业化应用上也取得一定进展,实现小范围AEM电解槽的销售。
比如今年5月,亿纬氢能首套AEM氢系统设备发货,应用于湖北金泉还原炉用氢项目;9月,中电丰业中标“氢进万家”示范项目,该AEM电解槽可定制生产高达500kW的氢气,并且可以在10-120%的负载范围内高效运行。近期,稳石氢能整装完毕的AEM制氢设备发往智利等。
AEM制氢在逐步迈向商业化。在此情形下,部分企业开始进入AEM制氢供应链寻找新业务增长极。尚处于发展早期的AEM制氢,供应链开始“萌动”。
AEM电解槽主要由阴离子交换膜(AEMs)、催化剂层(CL)、气体扩散层(GDL)和双极板(BP)等部件密封组合而成。其中阴离子交换膜是核心。理想条件下,它能够配合非贵金属催化剂实现高电导率和大电流密度。但在实际运行中,阴离子交换膜易出现离子传导率较低和耐碱稳定性较弱等问题,进而影响AEM电解水设备的稳定性和系统寿命,这也是制约AEM商业化应用的关键所在。在AEM制氢发展上行背景下,国内涌入阴离子交换膜赛道抢占制高点的企业越来越多,显现出“蓄势待发”的势头。
目前国内从事阴离子交换膜开发的企业主要分为两类,一种是AEM制氢电解槽企业,他们自研阴离子交换膜,代表企业是亿纬氢能、清能股份、稳石氢能、氢涞科技、氢鸾科技、南京大全中科氢能源等。另一种是专门做膜的企业,代表企业是汉丞科技、嘉膜科技、安徽聚石氢友科技、中科氢易、武汉立膜科技、赢创等。据悉,东岳集团、天维膜技术也在对阴离子交换膜展开研究,中国科学院院士孙立成团队在AEM膜上也已取得创新进展。
自研阴离子交换膜的企业大部分是基于这种制氢技术处于发展早期、全链条涉足AEM制氢,他们除了自研膜,多数在催化剂、膜电极、系统集成等方面也有深入研究。而专门做阴离子膜的企业,多数是专业从事新型膜材料的研发、生产、销售的高科技企业。这一类企业的数量与研发热情,在一定程度更能代表这一技术的受关注程度。从市场表现看,这一类企业的数量是在明显增加的。
在专门研发供应阴离子交换膜的企业中,汉丞科技在今年8月完成超亿元B轮融资,资金将用于汉丞科技战略扩张,包括建立阴离子交换树脂(AEM)生产线。嘉膜科技自主研发的KMem®系列阴离子交换膜产品已成功实现批量投产,在生产能力方面,计划在2025年第一季度完成阴离子交换膜生产线的建设,正式开启规模化生产,届时将实现每年5万平方米的规模化生产能力。
另外,武汉立膜科技依托湖北大学自主研发的聚芳烃奎宁基阴离子交换膜,主打高浓碱液高温条件高稳定性,已交付平方米量级阴离子交换膜产品。赢创开发的一种新型阴离子交换膜,有望实现高产量、低成本地通过电解水制氢,该膜名为DURAION®的阴离子交换膜,可实现膜电解工艺的质量三角,即在化学稳定性、机械完整性和离子导电性上实现平衡。中科氢易在2023年就实现了阴离子交换膜(AEM)产品的基本定型。
AEM制氢技术在发展过程中面临诸多挑战,膜的稳定性是一大难题,这直接决定着AEM电解设备的工作效率和运行寿命。从上述企业布局与努力表现看,AEM膜在性能、幅宽、批量化等方面已经在持续精进突破。
AEM制氢供应链“萌动”
除了阴离子交换膜,AEM制氢供应链其他环节也在慢慢活跃,一部分企业在公开或悄然展开相关布局。
鸿基创能认为AEM技术在未来几年的发展将更为迅猛,正在开发AEM膜电极。碳际科技推出了AEM电解水用碳气体扩散层。玖昱科技也已经推出AEM点电解水用镍纤维毡。苏州铂瑞电极在强大的电化学电极材料研发与制造实力支撑下,氢能产品矩阵包括AEM双极板及涂层、AEM气体扩散层及涂层。莒纳科技在去年就已经完成了适配弱碱性环境的高活性、非贵金属催化剂研制,AEM膜电极已经完成小试,将以低成本膜电极推动AEM制氢技术发展。
济平新能源推出AEM铂镍合金催化剂,该催化剂在低电密时0.5A/cm²时电压低于1.7v,在高电密时1A/cm²时电压低于1.8v,产品性能已达到国际领先水准,同时经过3W圈的耐久测试后衰减度小于20%。
稳石氢能依据多年石墨烯二维结构制备技术,采用LDH层状双金属氢氧化物(镍钴铁)与石墨烯复合开发出有序化高导电、多活性点的低成本OER催化剂。未来氢能刚发布了具有全自主知识产权的AEMCat.HER阴极催化剂、AEMWE HER阴极电极、AEMWE OER阳极电极三款产品。
另外,中国科学院大连化学物理研究所在自支撑非贵金属OER电极及其在AEM海水电解应用方面取得了重要成果。研究人员通过“水热+退火”的合成策略,在泡沫镍基底上成功构建了富含氧空位的非贵金属异质结构催化剂。这种催化剂能够有效稳定阳极过程中羟基中间体的吸附,避免氯离子的竞争吸附,实现了海水环境中高效、稳定的OER过程。将此材料作为电极应用于非贵金属AEM海水电解,实现了超过300小时的稳定运行,电压衰减率低于100μVh−1,展现出了广阔的应用前景。
在AEM制氢双极板方面,云帆氢能推出了两款AEM双极板——P031和Q101,现在已开始配合部分实验室和新进创业团队验证AEM的技术路线和零部件。该公司董事长刘建飞表示,虽然AEM在价格和耐久性上当前优势不大,但是发展速度很快,公司也在全力支持客户的发展,会投入更多的资源优化产品、服务客户。
云帆氢能AEM双极板Q101
产测设备方面,科威尔推出E500系列电解槽单池测试系统,该系统支持PEM、ALK和AEM不同种类电解槽单池及材料级别测试。锐格新能源、群翌能源、宇科创新也已可提供AEM电解槽测试设备。隆深氢能现在已经形成AEM电解水生产线,并正在提升产线设备的使用有效性,降低客户成本。
郑州立佳长期致力于热喷涂增材制造技术的研发和应用,据相关负责人介绍,除了碱性制氢会采用热喷涂的方式赋能电极的析氢涂层,AEM也会用上他们的绿氢电极智能化喷涂生产线,现在已经有一些AEM电解槽厂家找到他们做前期打样测试,也取得了一些研究成果。金泉益透露,从供应链视角来看,今年客户的产品特点主要是PEM制氢技术路线在向大标方进阶,同时AEM和SOEC开启小规模示范和应用,公司在AEM双极板方面也有服务方案。
AEM电解水制氢技术全链已经在“动了”。在这些企业的参与推动下,AEM制氢产业链成熟度相信很快会迎来一定程度的跨越。