AEM电解槽与PEM电解槽的技术对比
AEM电解槽与PEM电解槽的技术对比
在电解水制氢技术领域，AEM（阴离子交换膜）电解槽和 PEM（质子交换膜）电解槽是两种备受关注的技术。本文将从原理、关键材料、系统设计与操作特性以及各自优势等方面，详细对比这两种电解槽的不同之处。
原理方面
AEM电解槽与传统碱性电解水制氢原理类似，通过阴离子交换膜传导氢氧根离子，同时隔绝阴阳极，阻断氢气和氧气产物的混合，可采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解液。
PEM电解槽使用的是质子交换膜，在阳极水被氧化成质子、电子和氧气；质子通过膜传输到阴极，在阴极被还原成氢分子。其反应气体在催化层的后部析出，这种紧凑设计允许高电流密度操作。
关键材料方面
AEM 电解槽
粉末电催化剂：HER 常用镍基化合物，Ni-Mo合金是性能较优的非贵金属析氢催化剂；OER 常用基于过渡金属元素的合金、氧化物等材料，镍铁层状双氢氧化物催化活性较高，但需关注催化剂层性质与导电性。
阴离子交换膜：由聚合物骨架和阳离子基团组成，理想的膜应具有较高离子电导性、一定尺寸和化学稳定性，但高离子电导率和高稳定性通常难以兼得。目前国外已有多家厂商开发相关产品，如德国 Fumatech 公司的 FAA3 系列等，但在离子电导率、稳定性等方面仍有提升空间。
PEM电解槽
催化剂：阳极催化剂多采用Ir基和Pt基催化剂，需具备高活性、稳定性和耐腐蚀性，以应对阳极的强氧化性环境；阴极催化剂常用Pt催化剂，因其在酸性条件下具有快速析氢反应动力学。
质子交换膜：主要类型有全氟质子交换膜（如 Nafion 系列）、部分氟化质子交换膜、非氟质子交换膜和有机/无机复合质子交换膜。全氟质子交换膜应用广泛，但存在成本高、厚度与性能平衡等问题。
系统设计与操作特性方面
AEM电解槽
系统设计：可沿用传统碱性水电解槽设计或采用类似PEM电解水的设计理念。传统设计利于产业化推广，但部分技术特点无法充分发挥；类似PEM的设计需解决膜材料离子传导性与阻气性能平衡等问题，目前系统总体设计理念尚需完善升级。
操作特性：操作电压和电流密度影响能量利用效率和氢气产量，实际操作电流密度应低于临界电流密度；操作温度升高可提升反应动力学，但会加速阴离子交换膜衰减；系统压力提升可便于氢气储存利用，但需关注氢气交叉渗透问题。
PEM电解槽
- 系统设计：成熟，可根据需求调整操作参数，如操作电压、电流密度、温度和压力等。操作温度和压力对性能有显著影响，提高操作温度可降低槽电压、提高电流密度，但对材料要求更高。
各自优势
AEM电解槽
- 采用碱性电解质，保留碱性反应体系，可使用非贵金属催化剂和极板，降低成本。
- 与传统碱性电解槽兼容性好，利于产业化推广；与PEM电解槽设计理念相似，具有发展潜力。
- 动态响应能力较好，能更好地适应可再生能源的间歇性。
PEM电解槽
- 技术成熟度较高，已有商业化产品，电流密度高，电解槽集成度高。
- 质子交换膜具有高质子传导率，可实现高压差操作，提高气体纯度。
- 动态响应特性良好，启动速度快，能快速响应电力输入变化，与可再生能源耦合性佳。