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贏創全新膜技術膜技術有望突破綠色制氫商業化瓶頸
導讀：離子交換膜是電解槽的核心部件，對電解效率和電解可靠性至關重要。目前，贏創成功開發了一種新型陰離子交換膜(AEM)，有望突破綠色制氫的現有瓶頸。
【塑料機械網 塑料時訊】氫氣既是化學工業的關鍵原材料，也可作為一種無碳燃料，用于工業、交通領域。“綠色制氫”指利用可再生能源發電，通過水電解制得氫能。這是一種綠色、清潔的能源生產方式，可以實現能源生產的“去碳化”。
然而，相比大部分工業制氫采用的碳基能源(例如甲烷)蒸汽重整工藝，綠色制氫的成本居高不下。盡管利用可再生能源發電的成本較低，但電解槽的投資成本相對高昂。
離子交換膜是電解槽的核心部件，對電解效率和電解可靠性至關重要。目前，贏創成功開發了一種新型陰離子交換膜(AEM)，有望突破綠色制氫的現有瓶頸。
“憑借這一創新膜技術，我們希望實現綠色制氫的商業化，并使其具備經濟效益和高效率。”贏創戰略創新部門Creavis，負責膜技術創新的Oliver Conradi表示。
現有技術的缺陷
堿性水電解制氫(AEL)是現有工藝中應用廣泛的一種。在高濃度氫氧化鉀溶液中通入直流電，水分子在電極上發生電化學反應。在陰極，水分子在陰極分解成氫離子(H+)和氫氧離子(OH-)，氫離子與來自陰極的電子結合形成氫氣，氫氧離子則到達陽極，生成氧氣和水。
為了確保分隔開反應產物，避免其重新結合引起爆炸，在電解槽的陽極與陰極之間需設置一層隔膜。為了讓氣體通過，AEL采用多孔結構的隔膜，因而限制了設備在受壓條件下的操作。
為了方便存儲或運輸，制成的氫氣需進行壓縮，因此會產生額外的能源消耗。此外，多孔膜僅適用低電流密度，即每平方厘米的膜表面多可承受600毫安電流。
另一項技術是質子交換膜(PEM)電解制氫。在這一技術中，質子交換膜不僅用于分隔反應產物，還可以使電解池的設計更緊湊，因其由導電聚合物組成，而電極位于膜的兩側，待電解的水流經陽極，產生的氫離子從陽極側穿過質子交換膜到達陰極，在陰極反應后生成氫氣分子。
相比AEL系統，PEM電解槽不僅能承受更高的電流密度，還能應對更大的負載波動。由于這一技術可以在受壓條件下實現，后續氫氣壓縮所消耗的能量也更少。盡管PEM系統在技術上具有一定優勢，但投資成本高昂。
“PEM在酸性條件下反應，電解系統的材料需要具備優異的耐腐蝕性能，且需要鉑、銥等貴金屬制成的催化劑；而電解小室需由鈦甚至鉑鈦制成。” Conradi解釋。
贏創陰離子交換膜：結合現有技術優勢
與AEL或PEM工藝相比，贏創的陰離子交換膜(AEM)電解結合了兩者的優勢。AEM電解槽的結構與PEM相似：由離子傳導塑料制成的膜(又稱離聚物)將電極分隔于膜的兩側。電極同樣由離聚物制成，并摻入催化劑顆粒。“
與PEM不同的是，AEM的電解槽可以依靠鎳基等非貴金屬催化劑，從而有效減少材料成本。”Conradi說。同AEL工藝，AEM的反應將在堿性的環境中進行。水在陰極被電解，并生成氫氣。AEM電解技術的其他特點還包括可承載高電流密度、效率高、靈活性強。
盡管研發工作已取得初步進展，實驗室的重點仍是優化膜的配方。“影響其效率的一個重要因素是膜與電極之間的接觸電阻。為了使電阻盡可能小，我們需要在膜與電極之間建立良好的離子連接。所以，我們不僅需要繼續優化膜的聚合物配方，還需定制開發一款用于該膜的電極粘結劑。” Conradi說道。此外，團隊還在進一步優化涂敷等工藝，以實現膜材料的量產。
贏創的目標是開發整套電解系統，從而實現可再生能源大規模制氫。為此，公司正與其他伙伴積極展開合作。在這一名為CHANNEL的研究項目中，包括電解槽開發商Enapter、能源公司殼牌，德國于利希研究中心、挪威科技工業研究所在內的企業和研究機構將基于贏創的膜技術，設計、搭建并測試AEM電解系統。相關技術驗證模型有望在2022年推出。
在中國，這一技術也引起了不少興趣。目前，贏創正積極尋求本地合作伙伴，推進相關研究進程。
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