日本研发出了一种带有耐用疏水成分的新型阴离子交换膜（AEM）
日前、日本早稻田大学的宫武贤治教授与山梨大学的研究人员合作，研发出了一种带有耐用疏水成分的新型阴离子交换膜（AEM），他们于2024年9月29日在《先进能源材料》杂志上发表了这项研究成果。该膜的另一个特点是具有高氢氧根离子（OH⁻）导电性，这对于阴离子交换膜电解槽（AEMWEs）实现卓越性能至关重要，且这种膜能够承受极端的碱性条件。宫武贤治表示：“本研究中使用的聚合物基膜满足了在水电解制绿氢过程中对坚固、有效材料的基本要求。”
将3,3''-二氯-2',5'-双（三氟甲基）-1,1':4',1''-三联苯（TFP）单体引入膜的聚苯撑主链是这一突破的关键方面。由于其成分提高了稳定性，它能够在80°C下承受高浓度氢氧化钾长达810小时以上的浸泡，这显示了其在工业应用中的耐久性。在电解槽测试过程中，该膜表现出了稳定的性能，在电流密度恒定为1.0 A/cm²的情况下持续运行1000多个小时，电压变化极小。宫武贤治称：“这里所展现出的耐久性是一个令人鼓舞的迹象，表明我们的膜有助于降低制氢成本。”此外，该膜在80°C时的氢氧根离子导电性达到了168.7 mS/cm⁻¹，超过了此前研究报告中提及的值。这种高导电性对于实现高效制氢所需的高电流密度至关重要。通过将耐久性与如此高的导电性相结合，该团队认为这种材料设计朝着可规模化且经济实惠的制氢方向迈出了重要的一步。
该膜的拉伸强度为27.4 MPa，伸长率为125.6%，具有很强的韧性，有利于长期保持稳定性能。这些阴离子交换膜的耐久性和效率使其成为可持续制氢过程中的重要组成部分，为碳中和能源计划提供支持。这些研究结果为绿色氢能应用带来了希望。
这项研究成功地证明了带有疏水成分的聚苯撑基阴离子交换膜能显著提高稳定性，并展现出高氢氧根离子导电性和优异的碱性稳定性，即使在恶劣环境下也能将降解程度降至最低。该膜能够在高电流密度下长时间稳定运行，使其成为阴离子交换膜电解槽中绿色氢能生产的一种高效、经济的选择，这项研究让我们离可持续能源的未来又近了一步。
目前日本是全球最大的阴离子交换膜生产地区，占有大约47%的市场份额。目前全球市场，基本由日本地区厂商主导，全球阴离子交换膜头部厂商主要包括Fujifilm、AGC、Astom和Ionomr Innovations等，前三大厂商占有全球大约70%的市场份额。
阴离子交换膜AEM（Anion Exchange Membrane）是一种阴离子交换膜电解水制氢技术，其原理是利用阴离子交换膜作为电解质，通过电解水产生氢气，主要结构由阴离子交换膜和两个过渡金属催化电极组成，一般采用纯水或低浓度碱性溶液用作电解质，并使用廉价非贵金属催化剂和阴离子交换膜。
AEM制氢综合了ALK制氢和PEM制氢两大技术的优点：
可以在碱性的工作环境中使用非贵金属催化剂，对极板等各类零部件的要求不高，可使用镀镍的不锈钢板；
具备类似于PEM膜电极的结构，可实现高压制氢。
目前有做AEM制氢电解槽的企业如德国Enapter、稳石氢能、中电绿波、亿纬氢能、未来氢能、清能股份等。但AEM制氢技术距离大规模商业化还有很大提升空间，阴离子交换膜、催化剂等核心部件的开发与应用尚未成熟。
阴离子交换膜是一类含有碱性活性基团，对阴离子具有选择透过性的高分子聚合物膜，也称为离子选择透过性膜。阴离子交换膜由三个部分构成：带固定基团的聚合物主链即高分子基体、荷正电的活性基团以及活性基团上可以自由移动的阴离子。
阴离子交换膜应用领域
位于膜电极结构中间的电解质隔膜是阴离子交换膜，它具有以下几方面的作用：
亲水性：通过渗透压将水从阳机扩散到阴极。
传递OH-：将阴极侧产生的OH-传递到阳极侧，这个过程中要使OH-传递阻力尽可能小，即膜要有较高的电导率；
隔绝电子：电化学反应与一般的化学反应的一个很大区别在于我们可以利用电能控制化学反应速度和反应方向，使化学反应涉及的电子通过外电路传递，因此交换膜要尽可能绝缘电子；
阻隔气体：由于电解水在膜电极两侧产生氢气和氧气，而氢氧混合达到一定比例就会存在燃烧或爆炸的风险，也会降低氢气产率，因此膜要有很好的阻隔气体的性能。
近期，全球范围内对阴离子交换膜电解水（AEM-WE）的关注度持续上升，这不仅体现在技术研究的深入，也反映在商业化应用的快速推进上。
当前氢能领域在应用端表现疲软，PEM电解水制氢（PEM-WE）发展信心不足的背景下，AEM-WE制氢因其结合了碱性电解水（ALK）的低成本优势和PEM-WE的低运营成本、加压和超纯H2生产、安全性提高等优势，而受到广泛关注。
国内外AEM电解水市场进展
AEM电解槽技术在国内外市场均取得显著进展，国外企业在亚洲首次进行商业化部署，而中国企业如稳石科技等也在积极推动AEM电解槽的产业化，标志着该技术进入新的发展阶段。
一、 在国外市场上，德国Enapter AG公司已向东京天然气公司旗下Senju加氢站交付了30台AEM EL 2.1型电解槽和15台干燥设备，标志着亚洲首个使用AEM电解槽的商业化站内制氢加氢站的诞生。此外，2024年1月消息，Ansaldo Green Tech公司也完成了全尺寸AEM电解槽短堆原型测试，并计划生产1MW的商业化电堆。Power to Hydrogen（P2H2）在安特卫普布鲁日港签署的首个工业规模试点项目，预计2024年交付迭代后的新产品（集装箱撬装），并宣称为世界上最大的AEM电解槽。
二、在国内市场，2024年国内有10家以上的企业具备AEM电解槽的生产能力，部分企业如稳石科技，亿纬氢能，泰极动力等企业已经具备AEM电解槽的出货能力。其中，深圳稳石氢能科技有限公司在9月12日宣布正式中标全球首套单系统1.25MW-AEM（阴离子交换膜）电解水制氢项目，刷新了目前全球最大单系统功率AEM制氢项目的纪录，同时也开启了国内兆瓦级AEM商业化应用示范，这标志着AEM电解水制氢技术的产业化进入了新的阶段。
国内市场多家企业看好AEM电解水未来的发展，除了上述企业还包括上海氢鸾科技、文景能源、正星氢电、奥扬科技、清能股份、北京未来氢能、中电绿波、浙江亿孚科技、易普斯、泰极动力、水沐氢华、北京动氢新能、安徽聚石氢友、嘉膜科技、泰极动力、东岳集团、莒纳科技、汉丞科技、易普斯、德林海等国内企业均已开始布局AEM电解槽市场。
AEM市场的火热可以归纳为氢能市场的推动的前提下，风能/太阳能电力占比逐步增大作为背景，在对PEM电解水信心不足的大环境下，可以较低门槛切入更具技术前景的AEM赛道。
具体可以分为四个方面：
一、 绿氢市场的发展动力：在全球范围内，对可再生能源和减少碳排放的重视不断增强。在此背景下，绿氢作为一种清洁的能源载体，其生产与应用逐渐受到广泛关注。尽管燃料电池市场目前表现并不强劲，但市场参与者逐渐认识到，要实现燃料电池技术的大规模商业化，关键在于大规模生产绿氢。因此，市场的关注焦点已从前几年的应用端转向制氢端，这一转变为阴离子交换膜电解水（AEM）技术的发展提供了机遇。
二、 风能/太阳能电力占比逐步增大的背景：在风能/太阳能电力在能源结构中的比重日益增加的趋势下，可适应波动性能源的绿氢制备技术显的尤为重要。当前市场上的制氢技术可分为三类：低温、中温和高温电解水技术。然而，中温和高温电解槽最适宜在恒定负载条件下运行，且不易频繁启/停，这限制了它们在应对风能和太阳能这类波动间歇性能源时的应用。
在这一背景下，只有低温电解水技术可以符合要求，目前市场上存在两种低温电解水技术：AEM-WE 和 PEM-WE。PEMWE在近期发展中面临提升产氢效率和降低成本的挑战，导致市场信心有所下降，这也促使行业将目光转移到了另一种低温电解水技术——AEM-WE。
三、 希望抢占未来市场：目前市场存在一种观点，认为随着 AEM-WE 技术的突破，PEM-WE技术可能会变得不再必要，甚至被认为是过渡性产品。这种观点也让许多企业可能会跳过PEM-WE技术的研发，直接布局AEM-WE技术，以抢占未来市场。然而，这种观点可能忽略了两种技术的各自优势和适用场景。直接布局AEM技术可能是一个抢占未来市场的策略，但同时也需要考虑技术的成熟度和市场的接受程度。
四、AEM-WE与PEM-WE、PEMFC的共通性：AEM-WE与PEM-WE、PEMFC电解槽在结构上存在一定的相似性，一方面降低了从PEM-WE、PEMFC技术转向AEM-WE技术的门槛，使得已经布局PEM技术的企业更容易过渡到AEM-WE的赛道中去。另一方面，随着前期PEMFC和PEM-WE技术的快速发展，核心零部件厂家也在这一过程中进行技术的迭代和积累，可以针对更为具体的要求进行定制开发，为AEM-WE的大规模发展提供了材料和技术的基础条件。
近两年来，国内从事阴离子交换膜研发的企业正逐渐增多，大有“蓄势待发”之势，2024年以来，多家企业取得了核心进展。
1、Greenlyzer氢涞科技
2、亿纬氢能
亿纬氢能研发的Alkymer®阴离子交换膜材料使用芳环作为聚合物骨架，并通过哌啶阳离子进行离子传导。这种材料具备出色的化学稳定性，得益于其稳定的芳基主链结构和哌啶阳离子的耐碱特性。
另外，今年3月26日，亿纬氢能发布了全球首台100kW AEM制氢电解槽。这款电解槽在技术层面进行了显著的优化，包括负载范围、产氢电流和产品尺寸等方面，其单槽规模更是标志着A EM制氢技术正式走出实验室，迈向了工业用氢和可再生能源制绿氢等广阔的实际应用领域。
3、稳石氢能
另外，9月12日，深圳稳石氢能科技有限公司宣布正式中标全球首套单系统1.25MW-AEM（阴离子交换膜）电解水制氢项目，刷新了目前全球最大单系统功率AEM制氢项目的纪录，同时也开启了国内兆瓦级AEM商业化应用示范，这标志着AEM电解水制氢技术的产业化进入了新的阶段。
4、嘉膜科技AEM
嘉膜科技（厦门）有限公司于2022年9月成立，由嘉庚创新实验室孵化而来，以电解水制氢阴离子交换膜为核心，逐步拓展阴离子交换膜的其它细分应用市场。公司于2023年12月获得典石科技（常州）有限公司的天使轮融资，目前已研发出KMem®系列产品，包含树脂、膜、离聚物、电解水制氢测试系统和小标方电解堆。
另外，近日，嘉膜科技针对电解水制氢领域开发出阴离子交换膜KMem®AM02系列！
5、未来氢能
未来氢能表示，去年发布的5KW电解槽在北京未来氢能中试基地已具备一定的产能。今年将发布基于单槽M型50KW产品，明年将会发布单槽N型250KW产品。未来，随着市场需求的扩大，未来氢能会适时打造电解槽产线。
6、清能股份
清能股份20多年来持续专注于氢能核心技术创新及商业化应用。目前正进行百千瓦级别的AEM全尺寸短堆系统测试，并计划于2024年底推出首个兆瓦级别AEM电解制氢系统。
7、汉丞科技
汉丞科技创立于2016年，公司以海归科学家为核心，以高科技为先导，主要致力于研发、生产、销售氢能用含氟新材料、增强型纳米微孔膜等产品，并参与氢能车用燃料电池膜电极及批量制备技术、电解水制高压氢电解堆及系统关键技术等。为高新技术企业、专精特新企业，并荣获中国纺织工业协会科学技术二等奖。
8、东岳集团
该项目的制氢及储氢设施包括100Nm³/h PEM制氢设施（PEM：质子交换膜）、100Nm³/h AEM制氢设施（AEM：阴离子交换膜）配套固态储氢设施。值得注意的是，东岳的氢能产业化布局开始扩展，不仅仅再局限于PEM制氢，AEM制氢也有所计划。
9、安徽聚石氢友科技有限公司
安徽聚石氢友科技是聚石化学与合肥工业大学联合成立的，专注于阴离子交换膜的研发、生产与销售。阴离子交换膜作为一种关键材料，在新能源电池、燃料电池等领域具有广泛应用前景。安徽聚石氢友科技将秉持聚石化学的创新精神与品质追求，不断提升阴离子交换膜的性能和质量，为推动新能源产业的持续发展贡献力量！
10、山东天维膜技术有限公司
山东天维膜技术有限公司成立于2003年，专业从事均相离子交换膜及水处理设备的研究、开发，山东省瞪羚企业，山东省隐形冠军企业，中国膜工业协会常务理事单位，国家火炬计划重点高新技术企业。公司建有国家博士后科研工作站，山东省企业院士工作站，山东省中德荷电膜材料合作研究中心，山东省荷电高分子膜材料重点实验室，山东省荷电膜示范工程技术研究中心，山东省净水设备动员中心。
11、中科氢易
目前，中科氢易已完成阴离子交换膜小试，将膜应用场景拓展固体聚合物阴离子交换膜电解水技术（AEM）的电解槽及燃料电池，实现碱性电化学体系制氢装置的全覆盖。
12、武汉立膜科技
据悉，2022年武汉立膜科技首创的N-甲基奎宁基阴离子交换膜。该阴离子交换膜具有超高碱性稳定性：在大于5mol/L 浓碱液，80℃环境下稳定性超3000小时。综合性能处于世界顶尖水平。
13、上海氢鸾科技
上海氢鸾科技有限公司成立于2016年1月，依托上海交通大学、中国科学院大连化学物理研究所、仙湖实验室的科研资源，以及氢能领域顶尖专家的技术支持，已掌握AEM水电解制氢离子膜、催化剂、膜电极、电堆、系统集成等全套核心关键技术，致力于开发世界领先的具有自主知识产权的绿色制氢关键装备。
14、南京大全中科氢能源科技有限公司
据悉，大全氢能AEM碱性膜幅宽≥60cm，膜厚50-80μm，稳定性阳离子降解≤10%（1M NaOH，80℃下浸泡10000h），25℃溶胀率≤10%。同时，该公司表示，其自研的AEM碱性膜有效面积大、导电性高、稳定性好，并且产品已向国内外三十多家科研单位提供样品进行验证，涉及领域包括电解水制氢、燃料电池、电化学合成氨等，均收到了性能优异的积极反馈。基于自研的高性能AEM碱性膜及非贵、低贵金属催化剂产品，大全氢能还研发了配套的AEM制氢电解槽。
15、赢创
文章来源：根据网络信息由高性能膜材料编辑整理
