AEMWE电极新选择 | 动量守恒CellularPTE™蜂窝电极发布

阴离子交换膜电解槽（AEMWE）作为一种新兴的电解水制氢技术，以其无铱贵金属、高安全性、适应可再生能源波动性以及相对低能耗等优势，获得了市场的关注和资本的青睐，有望成为未来最具潜力的电解水制氢技术。

对于AEMWE的关键部件-阳极电极，长久以来，受限于阴离子交换膜（AEM）机械强度弱、溶胀率高等特点，市场上主流的阳极制备路线为CCS路线，即将催化活性材料涂覆或者原位生长在镍基金属基底上，比如镍网、泡沫镍或者镍毡（见图1），得到多孔传输电极-PTE(porous transport electrode)。PTE在AEMWE内既可以发挥电催化活性作用，同时又具备气液交换功能。

图1 镍网(a)、泡沫镍(b)与镍毡(c)对比

动量守恒在自主研发的镍基直通孔结构多孔传输层（Ni SP-PTLTM）技术基础上，经过超一年产品开发，历经多轮实验优化与性能验证，近日成功实现了高一致性自支撑镍基多孔传输电极（Ni-PTE）的稳定批量制备，并已成功申请商标CellularPTE™，意为：蜂窝电极，精准地传达了该种电极的结构特征。该蜂窝电极产品面向AEMWE阳极端，可有效提升产氢效率与系统耐久性，有望成为AEMWE领域的一项关键技术突破。

图2  (A)Ni SP-PTLTM与(B)镍毡的表面微观形貌

一、CellularPTE™蜂窝电极形貌与结构特点

我司本次发布的蜂窝电极，采用物理和化学方法相结合的技术，催化层分布均匀、产品一致性高，且因操作简单易得，当前已实现100mm*100mm规格的批量生产（50片/批次），具有良好的规模化制备潜力，产品具体如图3a所示。

图3 电极的(a)光学照片、(b)局部放大的扫描电镜照片及(c)PTE超声前后的重量对比

如图3b所示电镜图，蜂窝电极表面催化剂呈纳米片状，均匀分布在于Ni SP-PTLTM上。得益于独特的催化层生长工艺，在无需引入聚合物的情况下，催化层与基底紧密结合（如图3c所示，在300W功率超声10分钟后未能观察到明显的质量损失）。该电极结构显著提高了催化剂的利用率及其在高电流密度下的电子传输能力，从而能有效提升电解槽整体电解效率。目前，该产品最大可制备尺寸为220mm*220mm，年内可进一步扩大尺寸规格至400mm*600mm。 二、CellularPTE™蜂窝电极性能与稳定性

根据公司测试，蜂窝电极产品在与多款商业化AEM膜的匹配测试中均展现出优异性能与耐久性。如下图4（a)，以该电极作为阳极，搭配商业AEM膜1的电解槽性能达2.6 A/cm²@2.0 V，搭配商业AEM膜2则达到3.2 A/cm²@2.0 V。同时，得益于基材特殊结构与独创制备工艺，产品在不同尺寸下均保持了良好的一致性和可重复性。

在超过1000小时的稳定性测试中（1 A/cm²恒流条件），蜂窝电极搭配商业AEM膜1和商业AEM膜2的电势衰减率分别为18.6 μV/h和35.2 μV/h（见图4b），也展现了良好的耐久性与可靠性。

此外，得益于Ni  SP-PTLTM的表面平整度高、厚度公差小、无毛边毛刺等特有结构特性和优势，在装配过程中，蜂窝电极能较好的保护AEM膜等其他组件，配合多层不锈钢镀镍网作为阳极流场，表现更优。

图4  蜂窝电极搭配两款商业AEM的(a)极化曲线与(b)稳定性测试曲线

三、技术趋势与应用前景

尽管当前AEM膜受限于材料本征特性，在寿命方面尚无法与质子交换膜（PEM）媲美，但由于对贵金属的依赖度很小，因此成本方面具有显著潜力。

考虑到AEM膜虽存在耐久性短板，但Ni-PTE、双极板+阴阳极流场、GDE等组件的使用寿命更长，且易于与AEM膜进行分离。在此背景下，我司提出PTE一体化电极策略，并结合可拆卸更换AEM膜组件的电解槽设计方案（如图5），有望通过模块化设计实现AEM膜的便捷更换，延长系统运行周期，使得AEMWE系统寿命未来可接近或达到PEM电解槽同等水平。如此，将可显著增强AEMWE技术的竞争力，进一步推动绿氢制备的降本。

图5  AEM电解池的拆解图