AEM 电解水详解：换成阴离子膜之后，改变了什么

绿氢只有一条生产路线，那就是水电解。因此，现有水电解技术的局限并不是学术问题，它们决定了清洁氢成本的下限。

目前支撑商业市场的有两种技术，使它们能够工作的结构，也恰恰限制了它们的性能。AEM 正是在两者之间的空白中诞生的。

当前水电解技术的取舍

碱性水电解自 19 世纪起就已用于工业生产。它在由多孔隔膜分隔的电极之间通入液态 KOH，使用镍基催化剂而非贵金属。这正是它建造成本低的原因，也是全球已装机电解产能大部分采用碱性路线的原因。

它的局限也来自同一设计。首先是响应慢。气体互窜是结构性的：多孔隔膜把两个半电池隔开，却无法将其密封，而且低负荷时混合加剧——这恰恰是与可再生能源耦合的系统长时间所处的工况。这首先是安全限制，其次才是效率限制。出于同样原因，加压制氢也很困难：要抑制互窜就得加厚隔膜，而隔膜越厚，电导率越低。

质子交换膜（PEM）水电解用固体聚合物膜取代了多孔隔膜，并把化学反应转移到酸性环境中。结果是响应快，能与波动的可再生能源良好匹配。但酸性环境也是代价所在：酸性运行需要贵金属催化剂，主要是氧侧的铱。

这项限制的最终范围目前无人知晓。但如果一项技术所用的核心材料面临尚未明确的监管要求，这项技术就存在与性能无关的风险。

来源IEA Global Hydrogen Review 2025, chapter 3: alkaline 60% of installed electrolysis capacity · International Platinum Group Metals Association, White Paper on Iridium (2022) · Hydrogen Europe, Position Paper on PFAS (2023)（行业协会）

阴离子膜改变了什么

AEM 保留了 PEM 的固体聚合物膜，并将其放回碱性环境。一句话概括：膜传导的是氢氧根离子，而不是质子。文献中这项技术有两种写法——阴离子交换膜水电解和 AEMWE，含义相同。

• 催化剂脱离贵金属市场。在碱性条件下，镍铁催化剂用于析氧反应（OER）时足够稳定、活性也足够，因此不需要铱。
• 隔离层是固体，气体互窜大幅降低。无需下游纯化装置即可获得高纯氢，加压运行时也无需再克服多孔隔膜带来的限制。
• 膜可以采用碳氢类材料，完全不在 PFAS 管控范围之内。需要谨慎说明的是：部分商用 AEM 膜为了耐久性仍采用部分氟化的主链。这是化学体系允许的一种选择，而非所有 AEM 产品都具备的特性。
• 响应快，因为固体膜赋予了 AEM 动态响应特性，而正是这种特性让 PEM 适合与可再生能源耦合。

与析氢反应（HER）相比，OER 动力学更慢、过电位更高，因此是整个电解过程的限速步骤

这一处改变，同时带动了四个方面的变化。

来源Molecules 26(21):6326 (2021), section 3.3.1: nickel, nickel alloys and cobalt oxides as stable OER catalysts in alkaline media

AEM 尚未解决的问题

AEM 还不是一项成熟定型的技术，它在哪些方面尚未到位，值得直说。

长期运行中的膜耐久性是尚待解决的问题。阴离子交换膜中负责传导氢氧根的阳离子基团会发生化学降解，导致电导率随时间下降。该领域的材料研究大多集中于此，而改进需要膜化学与运行条件双管齐下，单靠其中之一都不够。

第二个问题是可制造性。在单个实验室电池中达到某个性能数值，与在数百个电堆上稳定复现它，是两个不同的问题，失效模式也各不相同。膜电极（MEA）制备和电堆组装决定了客户实际拿到的是哪一种。

两个问题都真实存在，但都不是否定这项技术的理由。坦诚讨论它们的方式是拿出数据，而不是堆砌形容词。

来源IRENA, Green Hydrogen Cost Reduction (2020): AEM status and degradation mechanisms as of 2020 · U.S. DOE Technical Targets for Liquid Alkaline Electrolysis and PEM Electrolysis: reference degradation rates in mV per 1,000 h

AWE、PEM 与 AEM 对比

先看最后一行。表中每种技术都有待解风险，真正有意义的问题是：这是哪一类风险。

AWE 和 PEM 的局限是结构性的，分别源于多孔隔离层和酸性环境，再多的工程优化也无法消除。AEM 的问题则属于成熟度问题，是另一种类型，而且过去十年间已取得长足进展。

这项技术的实际水平

关于 AEM 成熟度的笼统说法容易提出、却难以核实，因此下面给出我们自己的数据，并附上测试条件。

第二组运行从材料层面回答耐久性问题。HydroXpand 原位生长的镍铁阳极运行了 6,358 小时，测试在 16 cm² 双电池短堆中以 0.625 A cm⁻² 进行，按全程线性拟合，每片单电池衰减率为 14.7 µV/h，所用膜为 PiperION® 80 µm。同一轮试验中仅更换膜，结果为 1,234 小时。这正是解读任何单一耐久性数值的正确方式：它属于整个单电池，而不是某一个部件。

此外，同一电堆在寿命初期按高位热值（HHV）计算的效率达到 90.0%，测试条件为 50 A、0.1 M KOH、50 °C、常压。氢气侧无需单独的压缩机即可在最高 10 barg 下运行。阳极为生长在泡沫镍上的 NiFe-LDH，不含铱，也不含钛。

气体互窜是关乎安全的数值，值得以曲线而不是单个数字呈现。氧中氢含量随负荷降低而上升，而这恰恰是与可再生能源耦合的系统长时间所处的工况，因此额定负荷下的单一数值无法描述它。

安全数值，画成曲线

在 0 至 6 barg、额定负荷 40% 至 100% 的范围内，这 49 个点全部低于我们设定的 2% 控制限值，且曲线随负荷下降而上升。氢气流中的氧含量仅为痕量，属于干燥器需要处理的纯度问题，而不是安全限制。

我们发布每个数值时都附上测试条件，因为脱离条件的数值无法与任何东西比较。在温度偏高的单电池中以低电流运行两千小时，与以额定电流运行两千小时，并不是同一个结果；一份只给出运行时长的技术参数表，提供的信息其实非常有限。

耐久性数值无法告诉你的一件事，是产品寿命。我们不会把它换算成寿命。

为什么我们打通整条链

AEM 的性能取决于材料、电极和电堆之间的界面，而不是其中任何一环本身。在半电池中表现良好的膜，一旦被压紧在特定的电极结构上，表现可能就不同了；孤立优化的电极，放进最终所用的流场中，也可能并不合适。

把外购的膜和外购的电极组装成电堆，很难同时提升效率、耐久性并降低成本，因为每一项改动都会涉及供应商的设计，并受到其设计条件的限制。

因此，我们自主开发催化剂和电极、设计单电池、制造电堆，并开发运行它的系统和控制软件。公司由三位 KAIST 博士于 2023 年 12 月创立。目前已有 70 多家客户在使用我们的电极、电堆和系统，覆盖 10 多个国家，既有评估自有材料的高校实验室，也有现场制氢的企业。

上述测量所用的电堆是一款正式产品。HXS-2 是一款 23 片单电池、2 kW 的 AEM 水电解电堆，额定产氢量 500 L/h（1 kg/day），现已可订购，自订单（PO）确认之日起四周发货；另有五片单电池配置可供评估。