深度分析：为什么AEM电解水成本可以远低于PEM？

氢眼探索等 2024-10-10

AEM（阴离子交换膜）电解水技术相对传统碱性电解水和PEM（质子交换膜）电解水来说是一项较新的技术。AEM电解槽的结构与PEM相似，但AEM电解水技术相比PEM电解水技术在成本上有显著优势。

AEM（阴离子交换膜）电解水技术相对传统碱性电解水和PEM（质子交换膜）电解水来说是一项较新的技术。AEM电解槽的结构与PEM相似，但AEM电解水技术相比PEM电解水技术在成本上有显著优势，主要有以下几个原因：

首先是材料成本，AEM电解槽通常使用的催化剂和双极板相对PEM更加便宜。由于PEM电解槽需要在强酸和高氧化性的工作环境下运行，因此PEM电解槽对于贵金属材料的依赖度更高，由于使用昂贵的材料如铂族金属催化剂和钛金属的双极板，导致目前的PEM电解槽设备造价较高。

铂族金属中的“铱”是PEM电解槽发展过程中不可缺少的贵金属催化剂之一，并被认为是最理想的PEM电解水阳极催化材料。铱金属在地壳中含量非常稀少，目前全球铱金属年开采量仅有5-10吨，且高度集中于南非。铱由于其特殊的资源属性价格昂贵，延缓了PEM电解槽大规模商业化的进程，制约了 PEM 电解技术在国内的推广。

相比之下，AEM电解结合了PEM和传统碱性电解槽的优点，在碱性环境中运行AEM电解槽由于环境腐蚀性较低，零部件可以使用更为廉价的金属制造，AEM电解槽可使用镍基催化剂，同时可以使用钢材代替钛来制作双极板。

此外，基于芳香族聚合物骨架的AEM隔膜材料成本有较大的降低空间。与PEM电解中广泛使用的Nafion膜相比，生产Nafion膜需要用到剧毒化学品，这增加了安全成本，并且在生产四氟乙烯的阶段会产生氟碳气体化合物，对环境造成不利影响，而AEM膜可以选择低毒的生产工艺路线。

AEM电解虽然兼具PEM和传统碱性电解“两全其美”的优势，但要使该技术具有竞争力，仍需要进行重大技术开发。例如，膜寿命是一个关键问题，因为目前的AEM膜对氧气高度敏感。需要将电极电池从目前的 <300 cm2扩大到与PEM电解槽 (1500 cm2 )类似的电池面积，以降低制造成本。

影响AEM与PEM的成本因素除了材料外，其次是操作条件。PEM电解需要超纯水，对供水系统中的杂质（如铁、铜、铬、钠等金属元素离子）更敏感，可能需要增设水净化系统。而AEM电解可以降低对水净化的要求，减少了复杂的气体管理和冷却系统，从而降低了整体系统的成本。同时，AEM因其膜特性，AEM电解槽在结构上又拥有更多选择。一方面，AEM电解槽所采用的的AEM膜，与PEM膜具有相似的致密性、易负载性，故其在技术路线选择上既可以走PEM电解槽的膜电极式路线；另一方面，因其在碱液中导电性较好，也可以走类似传统碱性电解槽的结构路线，因此在结构设计、操作条件等方面的选择面也更广、更具灵活性。

再次是耐用性和稳定性，PEM电解槽各个部件在高酸性、高电势和不利的氧化环境中工作增加了系统维护的难度，这些工作条件对PEM电解槽的可扩展性也提出了挑战。而AEM工作环境相对温和，降低了电解液泄露的风险。同时，AEM膜的耐用性和稳定性在某些情况下优于PEM膜，减少了更换和维护的频率，进一步降低了长期运营成本。目前国际上AEM的研发方向分为碱性电解质系统和纯水系统（即无碱液，便于系统维护）。前者的研发重点是提升电流密度和耐久性；后者是提升膜的稳定性，并使用先进的膜和无（或低）贵金属催化剂来提升性能和耐久性。

最后是规模经济效应，目前海内外知名企业纷纷在AEM制氢隔膜技术上发力，推动AEM制氢在全球范围内的商业化应用加速发展。在PEM高成本问题难以解决的困境下随着AEM技术的逐步成熟和市场需求的增加，AEM隔膜技术的突破以及生产规模的扩大也有助于降低单位产品的成本。

总的来说，AEM电解水技术在材料、操作条件、系统设计和长期稳定性等方面的优势，使其在成本上相较于PEM更具降本潜力。PEM和AEM电解之间的选择在很大程度上取决于氢气生产应用的具体要求，以及成本、效率和长期耐用性等因素。PEM电解提供高效率、快速响应时间和高纯度氢气，使其适用于对氢气纯度要求严格的应用。而AEM电解水则提供了更具成本效益的解决方案，AEM具有潜在的使用寿命改进空间和更大的杂质耐受性，使其成为成本作为主要考虑因素的大规模应用环境下的最佳选择。

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