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AEM電解槽“壽命短板”攻堅
點擊次數：54 更新時間：2025-12-17
陰離子交換膜（AEM）電解槽作為下一代綠色制氫的核心技術，憑借可采用非貴金屬催化劑、原料適應性強、對波動能源響應迅速等優勢，成為能源轉型領域的研究熱點。然而，“壽命短板”始終是制約其產業化的關鍵瓶頸——當前實驗室高性能AEM電解槽壽命多為數百至數千小時，與商業化質子交換膜（PEM）電解槽6萬+小時的壽命標準差距顯著。其壽命衰減主要源于陰離子交換膜降解、膜-電極界面失效、催化劑穩定性不足等核心問題，圍繞這些癥結的技術攻堅已成為行業突破的核心方向。本文結合最新科研成果，拆解AEM電解槽壽命短板的核心成因與關鍵攻堅路徑。
一、壽命短板核心成因：三大關鍵部件失效機制解析。AEM電解槽的壽命衰減并非單一因素導致，而是膜、電極、界面等多部件協同失效的結果：一是陰離子交換膜穩定性不足，這是最核心的瓶頸。膜的功能基團（如季銨基團）在高溫高堿環境下易發生霍夫曼消除等降解反應，導致離子電導率大幅下降；同時膜的吸水溶脹問題突出，反復干濕循環易使其機械強度減弱、出現破裂，且氣體阻隔性較差，進一步加劇性能衰減。二是催化劑穩定性欠佳，盡管電解槽可采用鎳鐵基、鎳鉬合金等非貴金屬催化劑，但其活性較PEM電解槽的銥催化劑低5-10倍，且在高堿工況下易發生氧化溶解，部分場景仍需添加少量貴金屬，削弱成本優勢的同時未能解決穩定性問題。三是膜-電極界面失效，氫氧根離子（OH?）遷移速率僅為氫離子的1/10-1/100，為提升傳導效率需優化界面結構，但傳統設計中膜與電極結合強度不足，運行中易出現界面剝離、接觸電阻增大，導致局部過熱和性能驟降。此外，雙極板腐蝕、分流電流等問題也會加速系統壽命衰減。
二、攻堅路徑一：膜材料革新——筑牢壽命核心基礎。陰離子交換膜的性能直接決定電解槽壽命上限，科研團隊通過分子結構設計與微孔工程實現關鍵突破：一是功能基團優化，開發基于奎寧環鎓陽離子的新型膜材料，其特殊結構可有效抑制霍夫曼消除反應，在80℃、10M NaOH條件下經過3100小時測試后，仍保持99.95%的OH?電導率，質量保持率達99.88%，創下堿穩定性新紀錄。二是膜結構設計升級，采用“剛性分支單元+微孔結構”策略，通過強酸催化縮聚法構建持久穩定的離子傳輸通道，既提升OH?擴散系數（最高達1.25×10??cm²/s），又降低膜的吸水率和溶脹率，增強尺寸穩定性。三是復合膜技術突破，以機械性能優異的聚醚醚酮為基膜，引入低玻璃化溫度的季銨化聚苯乙烯（QPS）作為樹脂，QPS在運行中可轉為高彈態起到“膠水”作用，使膜-電極界面結合強度提升兩個數量級，有效抑制界面剝離問題。
三、攻堅路徑二：膜-電極界面工程——破解接觸失效難題。界面穩定性是提升電解槽壽命的關鍵環節，目前主要通過結構優化與工藝升級實現突破：一是界面結合工藝革新，采用熱壓一體化工藝，利用復合膜中樹脂的高彈態特性，增強膜與電極的物理結合強度，中科院大連化物所團隊通過該技術使純水電解系統在500mA/cm²電流密度下連續穩定運行2464小時，展現出優異的界面穩定性。二是界面傳輸通道優化，通過調控電極多孔結構與離子傳導網絡，改善OH?傳輸動力學，使純水電解系統在80℃、1.8V下實現高達1200mA/cm²的電流密度，減少局部過熱導致的界面失效。三是大面積一致性保障，開展160cm²大面積電池驗證，在200mA/cm²條件下持續運行160小時，解決界面性能放大過程中的一致性問題，為工業化應用奠定基礎。
四、攻堅路徑三：催化劑與系統集成優化——提升全鏈穩定性。除膜與界面外，催化劑性能升級與系統集成優化也是壽命攻堅的重要方向：一是非貴金屬催化劑改性，通過摻雜、合金化等技術提升鎳鐵基、鎳鉬合金催化劑的活性與穩定性，減少貴金屬用量，在保證性能的同時降低成本，部分改性催化劑已實現接近貴金屬的穩定性水平。二是系統工況適配優化，開發純水進料技術，避免氫氧化鉀等堿性支撐電解質導致的雙極板腐蝕、分流電流等問題，同時提升系統對CO?的耐受性，減少環境因素對壽命的影響。三是動態運行適應性提升，通過材料選型與結構設計，增強電解槽對動態電流密度（0.5/1.0A/cm²）和溫度（30–80℃）交替變化的適應性，部分系統已實現1400小時動態穩定運行，滿足可再生能源制氫的波動需求。
AEM電解槽“壽命短板”攻堅已取得系列關鍵突破，通過膜材料分子設計、膜-電極界面工程、催化劑改性及系統集成優化等多維度技術創新，電解槽穩定運行時間已突破2400小時，部分膜材料堿穩定性達3100小時。但需注意，當前技術仍面臨大規模生產工藝不成熟、實際示范項目驗證不足等問題，距離商業化應用的壽命目標仍有差距。未來需進一步聚焦材料規模化制備、全系統壽命協同提升等核心方向，結合更多實際工況驗證，推動電解槽技術從實驗室走向產業化，助力綠色氫能產業高質量發展。
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