3kW的AEM电解电堆样机。

阴离子交换膜。

突破

□四川日报全媒体记者 王若晔 文/图

出版于1874年的小说《神秘岛》里，作者儒勒·凡尔纳设想了氢能的未来：“总有一天，水可以被电解为氢和氧，并用作燃料，而构成水的氢和氧……将会成为供暖和照明的无限能源。”

100多年后的今天，电解水制氢已从小说走进现实，成为生产绿色氢能最常见、技术最成熟的方式。电解水制氢包括多种技术路线，其中阴离子交换膜电解水（AEM）技术凭借成本低、高电密等优势，被称为“第三代电解水制氢技术”。目前，国内外对该领域的研究处于研发和商业化初期阶段。

近日，记者从四川天府新区获悉，四川天府新能源研究院完成阴离子交换膜电解水（AEM）电解电堆样机的开发。评审专家认为，样机核心指标达到了国际先进水平。

具有诸多优点的AEM，面临多重技术挑战

氢是一种二次能源，需通过一定的方法利用其他能源制取。电解水制氢，就是一种常用的制备方法。

所谓电解水制氢就是在直流电作用下将水进行分解，产生氢气和氧气的过程。其生产原料主要是“纯水”和利用太阳能、风能等可再生能源产生的“绿电”，具有零排放、低碳等特点，所以也叫“绿氢”。

不过，目前绿氢只占氢气生产总量的很小一部分。四川氢能源制备规模居全国第四，工业副产氢年产规模约20万吨，而绿氢仅有0.5万吨。业内人士指出，绿氢生产受制于成本昂贵，即电价成本和以电解槽为代表的制氢装备的成本，后者需要一定技术突破。

电解水制氢技术包括碱性电解水（ALK）、质子交换膜电解水（PEM）、高温固体氧化物（SOEC）、阴离子交换膜（AEM）等技术路线，前两者制氢方式目前占比较高。“不同技术各有长短，各有应用空间。”德国国家工程院院士、天府新能源研究院院长雷宪章介绍，ALK技术和商业成熟度高，但依赖稳定电网，与可再生能源发电的适配性有限；PEM电流密度高、适应可再生能源发电的波动性特征，但是需要使用贵金属催化剂，成本较高。

阴离子交换膜（AEM）制氢，被认为是集PEM与ALK优势于一体的新一代制氢技术路线，有着更高的转换效率和更低的制造成本，设备体积小，方便安装和移动。但在技术上，还面临着诸多挑战。“比如阴离子交换膜在高碱性条件下易受到氧化和降解，需要寻找更稳定持久的膜材料。”雷宪章介绍。

2021年底，四川天府新区管委会联合西南石油大学和四川能投集团共同成立天府新能源研究院。在这之后，天府新能源研究院筹备启动《AEM电解电堆样机开发及系统诊断研究》项目，开启对AEM相关核心技术的攻关之路。

样机核心指标达到国际先进水平

“这是项目攻关的核心技术之一。”在天府新能源研究院位于成都市郫都区的实验室，项目负责人许子奇拿出一张阴离子交换膜给记者展示。看着与一张普通的透明塑料纸无异，实际上蕴含着高科技含量。

AEM制氢是通过利用阴离子交换膜来分离水中的氧和氢，从而高效地产生氢气。“阴离子交换膜是一种高分子聚合物，关键膜材料技术直接决定了其化学稳定性和制氢效率。”许子奇说。

在此之前，许子奇和团队已有近10年研究基础和技术沉淀。基于此，研究人员从材料配方结构，到性能设计优化，进行了细致研究。“研究制备这张膜，运用了近20种材料，经过了几十次实验配比，来达到更好性能。”许子奇说。

在关键膜材料技术基础上，项目团队从膜电极、单电池到电堆及电堆测试“一条龙”进行技术突破。“也就是通过完善膜电极制备工艺，制备得到高性能、高效率、长时间稳定的单电池，然后进行电堆的组装与测试。与此同时，由单电池和电堆测试结果，反过来改进膜电极的材料与技术，最终完成3kW的AEM电解水电堆系统研发。”许子奇说。

经过近2年的集中攻关，项目研制出首台AEM电解电堆样机。记者看到，样机为水桶大小的圆柱体，由多个电池模块和其他必要的结构件等组成。

根据测试，项目AEM电解电堆产氢量实现每小时0.65立方米，氢气纯度为99%，每生产一立方米氢气耗电4.8千瓦时。按照《AEM电解电堆样机开发及系统诊断研究》专家技术评审意见，认为该项目样机核心指标达到了国际先进水平。“在常规电流密度下，实现了大功率电解槽设计与装配的自主化。”许子奇说。

高效率消纳可再生能源，应用前景广阔

今年以来，一些国内企业和研究机构也在阴离子交换膜电解水（AEM）技术上取得一定突破。有业内人士认为，今年将是AEM制氢真正走向商业化应用的开端。AEM技术发展将带来什么？

一直以来，太阳能、风能等可再生能源发电有着“季节性”“波动性”情况，存在弃水、弃风、弃光等情况。作为水电大省，四川可再生能源丰富，水电装机容量居全国第一位，但是由于丰枯特征明显，加之水电富集地区远离负荷中心，丰水期弃水压力较大。

而氢能作为一种清洁、高效的二次能源，是重要的“能源连接器”，与风光等可再生能源协同发展有广阔前景。

“AEM制氢与可再生能源结合，能更好地适应川内丰富的水能、风能及光伏等可再生能源发电的消纳，从而更高效和低成本地制氢。”许子奇介绍，氢能可以储存、方便运输，可以替代电能参与到交通、储能、工业等领域，从而实现能源的有效储存和调峰。

目前，四川天府新能源研究院《AEM电解电堆样机开发及系统诊断研究》项目团队还在进一步迭代优化样机结构和性能参数，进一步提高AEM电解电堆导电率、使用寿命和稳定性等性能，以适应不同的应用需求。

原始创新、样机落地后，为推动科技成果“存量”转化为应用“增量”，项目团队下一步计划联系相关厂商，推动形成AEM装备大规模、低成本制氢工业化应用示范。