海倍思创新论坛 | 苏祥东：《亿纬氢能AEM水电解制氢技术产业化实践》

惠州亿纬氢能有限公司

基础平台技术中心主任

苏祥东

今天介绍一下亿纬氢能近几年在AEM电解水制氢技术产业化方面的工作进展、成果，以及我们对于AEM这个技术路线的一些思考。

我们公司从2018年开始涉及氢能业务了，这一块是集团董事长前瞻性地在2018年的时候就布局了氢能业务，同时我们与武汉大学庄林老师开展了产学研合作，在2019年我们推出了第二代碱性隔膜，这一块实现对外销售。2021年，研究所独立拆分出来作为一个主体公司开展相应的氢能业务板块，2023年，我们推出了标方级电解槽。后续因为这么多年的技术积累，加上市场整体的变化情况，我们在2024年推出了一系列的电解水制氢产品。在8月份，我们在北京发布了全球首台套百千瓦级电解单槽，在二季度开发了基于百千瓦级的百千瓦电解系统，并实地落地运行，并且现在运行了2000多个小时，后面会详细介绍。

至于后端应用产品的差异，以及这个技术本身就是一个新技术，单纯的大单槽不能很好地匹配这种小型的运行，比如说科研运行，包括我们推出模块化制氢系统，这一块更好地扩展，可以更加灵活地满足不同应用场景的需求。我们公司从成立到现在已经有150人，核心专利突破50+，去年已经建成了集研发、生产一体化基地，有6000多平，很好地支撑了我们在AEM这方面业务的技术开展。

庄林老师是国内外AEM的一个研究先驱，在2008年和2012年分别在氧用电池和电解水方向发表了相应的技术研究，作为一个方案先驱，引领整个研究方案的发展，经过十余年持续的技术积累和攻关，在2018年成功推出了第二代碱性隔膜，他很好克服了第一代碱性隔膜的关键技术难题，让这个材料突破了产业化应用的关键障碍，在同一年，基于产学研合作，基于亿纬集团在产业化和生产这方面的能力，我们很快实现了AEM新隔膜的放大和生产，并注册了商标，并且从2019年开始销售到现在，我们与国内外100多家企事业单位、科研高校开展了相应的合作，这个产品的应用整个反馈比较良好。

关于AEM隔膜在电解槽里，刚才几位专家也提到了它的一些基本作用，主要关乎了后续电解槽系统的整体效率和安全，所以说这个材料的性能好坏直接决定了下游整个产品的开发和推广进度。

因为是做产品，我们更多考虑的是不能局限于实验室，这一块怎么让隔膜更好地服务下一代产品？它的工程化和产业化是我们当前在这个技术发展上必须要考虑和直面的一个难题。

结合我们第三代水电解制氢技术AEM技术，它的独特技术就是很好耦合新能源场景，也符合当前整体发展战略，就是双碳和新能源。但是这种场景的特点就是间歇性波动，对于电解槽的需求提出了一个不一样的要求，相应的对于里面的隔膜不再只是关注基于传统的科研层面要的稳定性，更多是关注我们在应用过程中这个膜材的机械寿命、机械稳定性、阻气性和对应的耐压能力，这一块我们更多是从产品程度去考虑相应材料的特性。

刚才提到我们基于两个维度来关注，实验室层面，大家更多听到，我们基于材料本身的特性，这些我们觉得突破第二代材料之后，这些关键性质已经不再是我们当前所考虑的第一位最重要的特点。基于产业化层面，除了性能方面，要考虑安全、寿命、价格、产品质量和交付能力，比较独特的是它的阻气性和机械稳定性方面，在应用层面，我们这个材料“暂态”的性能表达只是第一步，相当于万里长城踏出第一步，但如何真的把这个产品真正用于商业化产品层面，可能我们要基于多维度的分析和基于工况来进行综合的评价，才有利于我们产品能够真正可靠地应用在后端的实际产品中。

基于这些思考，亿纬氢能当前已经建立了从单一材料体系到复杂系统层面全链条的测试评价能力，在材料本身方面，我们建立起了基于ISO 9001质量体系构建了我们相应的测试体系，我们现在内部已经可以开展30余项这种性能化测试，充分保证这个材料基本的质量特性。对于它的应用，我们开展从单池到10千瓦，甚至百千瓦级，我们构建了原位评价体系，基于不同层级，我们的评价目的有所差异，最终目的是通过逐层递进、层层识别，真正聚焦在我们的应用关切的问题和真正的需求上，这样来识别我们隔膜在应用过程中它究竟要关注哪些特点。

大概是基于这么一个思路，结合生产过程中的一些FMFA进行对应的失效分析，提前预防，在设计层面就考虑可能对应的失效机理，哪些可以接受，哪些不能接受，进行逐层的筛选，最后再经过系统的验证，然后锁定这些关键应用点，反过来进行逐层迭代，升级我们的产品。

基于AEM隔膜可能的失效，我们在产品应用端有两种模式：1、性能失效。2、安全失效。性能失效更多关注对应的材料降解之后导致我们的产品发生能耗增加，或者整体效率降低，它的产品功能不能达到预期，这方面影响它的一些因素，比如温度、碱液浓度、运行电压。安全失效方面是我们开发产品的一个底线，是不能逾越的一道红线，如果它失效之后有可能导致氢氧混合，引发爆炸，这方面不仅是对于产品本身的影响，而是对于整个行业的影响，这方面是尤其重要的，这一块失效机理是隔膜破裂、机械寿命丧失，更多的是隔膜破裂，比如说有异物，这关乎到我们在产品生产过程中的一个质量保障，以及我们AEM规模在实际应用过程中受到内外应力长时间的耦合作用，整体分析难度是很大的，我们需要对这些因素进行解耦分析，基于加速评价，能够快速识别我们相应的产品应用边界。

这是展示了我们一小部分工作，我们基于加速评价，采用多因素的耦合分析，我们构建了三个分析模型，再基于实时数据做测试验证。从模型来看，我们这个模型的匹配度和实测数据的符合度是很高的，这一块有利于我们缩短整个分析周期，更好地去响应下游不同应用场景对于膜材独特的性能要求，以及在什么工况下能够发挥出这个膜材的重要性能。

基于此，上述的工作，我们通过不断的技术迭代，我们也推出了电解槽专用膜Alkymer W-75，基于四个综合维度，我们的膜材表现出综合的一个性能。在实际应用层面，我们进行了应用探究，在不同的电密情况下，我们进行了长周期的验证，从实测数据来看，整体来说我们的膜材表现出良好的稳定性和一致性，我们也关注了它的氧化氢，在公共条件下，基于膜材来看，它都具有良好的一个阻气性，后续如果再结合BOP层面的系统设计，这一块我们能够很好地去匹配后续的风光波动间歇性应用场景在宽负载情况下的应用需求，可以有效推动我们后续产品的实际应用。也与一些实际的竞品隔膜进行对比分析，实测发现我们的Alkymer表现出相对优异的性能。

这展示一下我们在AEM和这方面的生产、交付能力，我们从2018年做到2024年到现在，已经7个年头了，我们是国内最早做这一块的高新技术企业，我们已经突破了里面一些核心环节，比如说核心树脂材料的单批次实现5公斤量级聚合，以及构建了电池级的一个无尘生产车间，同步实现幅宽600mm内卷对卷的碱性膜生产，可以有效地支撑兆瓦级AEM电解槽的开发，同时我们的产能现在是大约10000m2/年，后续如果有这方面的需求，它的扩展是很快的。

这是我们隔膜产品简单的一个信息，大家如果感兴趣的可以关注我们的电商平台。可能在座不少的朋友用我们这个膜，对我们这个膜的性质有一些基本的了解。

刚才提到了我们基于隔膜，Alkymer下一代电解水技术，刚才已经讲过它的特点了，不再讲了。这一块是基于我们亿纬氢能在隔膜层面的一个产业化和技术突破，也有效支持了我们在下游产品层面的开发，最终可能要聚集系统层面，想实现系统层面的产品落地，我们给它分成5个层级，每个层级对应都有一些关键技术，比如说材料层的隔膜方面，它的批量制备技术和工程化验证，再就是组件层零部件和设备这方面涉及到的是核心配方的开发、膜电极量产技术，还有结构设计和仿真，以及类似控制性能的验证调试。关于工程层这一块更多希望与业内的朋友一块儿去推动实际产品的落地和应用，然后有效促进整个行业的发展。

针对这个过程中涉及到的一些核心材料、配方和各种科学问题、技术问题的更多验证，我们亿纬氢能也构建了相应的电化学分析体系，从单池到高通量实验室筛选，以及多通道自治测试设备和测试设备集中管理平台，这一块有效支撑了材料和配方的不断验证和升级。

下面是我们的AEM制氢产品，这一块就是我们定义分布式，分布式有两个系列：1、入门级。2、普及型。入门级更多关注的是科研，更多的特点是成本需求相对来说比较敏感，成本比较低，容量比较小。模块化制氢产品，这方面因为它可扩展、可复制，可以进行不同的组合，可以满足不同应用场景的灵活特点，在这方面有它的独特优势。我们也接收到国内一些有意向客户在这方面的咨询和落地应用的意愿。针对这种情况，亿纬氢能，这只是罗列了其中一部分应用场景，亿纬氢能基于这么多年的技术积累和理解，针对下游，我们有不同的应用场景，每个应用场景下对于气体、流量、纯度有不同的要求，亿纬氢能可以提供自己独特的解决方案，以更好匹配后端实际价值活动，不能做得太多，超过额外需求，导致额外成本太高，但也不能满足需求。

这次我们重磅介绍的是我们百千瓦集中式制氢产品。从2022年开始，我们重复在做百千瓦级的产品预研，2023年5月份，我们接到客户的实际需求，这一块项目启动，历时一年了，我们攻克了百千瓦级电解槽产品的技术难题，真正推出了对应的基础样品，同年5月份，我们制氢系统完成对应的调试，运到湖北荆门，截止到现在，我们百千瓦级系统已经连续运行超过2000个小时，而且现在正在持续运营中，在这个过程中表现出良好的一致性和稳定性。

亿纬氢能可以说是国内最早做这个东西，最早做电解水技术的高新技术企业，在这个过程中，我们对于技术本身相对来说比较审慎的，一款产品从研发到推向市场需要经过充分的工程化验证，落地之后都运行，运行过程中我们积累经验，并不断改善，尤其对于高新技术的产品是一步一个脚印，我们充分把这个产品技术打磨好，把这个产品交给客户，让客户能够放心，值得信赖。

下面是我们集中式制氢产品的基本简介，这是用于氢气还原炉示范应用，主要是用于锂电池正极三元材料回收，作为管道供氢的一个补充。这是它的一个基本情况，我们在运行过程中也进行各种不同负载下的类似于试运行，在这种波动性情况之下，它的整个槽体性能表现稳定性是很好的，而且基于良好的控制系统，这是它的控制系统，槽体之间的流体分布、一致性是表现出极好的优异性。同时为了便于对我们电解槽产品的实时监控和记录运行过程中可能出现的各种突发情况，我们开发出了一个云管理平台，通过这几个月的试运行，我们充分论证了百千瓦级电解槽系统产品的可靠性、稳定性，在今天这个机会，我们也发布这样一个全球首台单槽百千瓦级电解槽系统。

这是我们产品的基本信息简介。它的独特特点是可以覆盖20-100标方/h的一个产区，压力1.6MPa，同时它是一个中大型的系统，BOP专业度比较高，控制和检测功能是完善的，而且我们出于对产品的整体考虑，毕竟下游目前还没有一个标准的需求，而且各家客户的需求是有差异性的，我们是一个定制型的。有两个系列：1、CSM20-1。2、CSM100-4。对应的就是负载范围可以实现15%～150%之间，能够很好地耦合下游不同场景的应用需求，同时我们的出氢程度一次出氢可以达到99.9%，经过简单的水分干燥可以达到99.999%，基本上可以满足当前多数应用场景的需求，而且我们的整个电解槽能耗是大于等于4.3的，整个系统层面上的能耗是大于等于4.9。同时我们也可以根据客户的需求去定制不同的产品形式，有分体式、撬装和集装箱式，这一块可以很好满足下游的多样性需求。

基于电解水制氢的原理，我们更多站在客户的角度，他看到这个系统，他是否真正关心这个技术还是关心产品本身，我们提出了几个显性指标和两个隐性要求，比如说显性指标，我们更多关注这个产品的制氢能力，就是制氢速率，以及出氢压力，耐压是不是可以省一些后续的BOP控制系统的一些费用，电解槽层面可以解决这个难题。还有气体的纯度，比如说不同应用场景，半导体或者工业用氢对纯度的要求不同，对应里面的系统层面控制逻辑也不一样。两个隐性要求：1、稳健性。2、经济性。结合AEM技术本身，它结合了PEM和ALK独特的优势，所以在物料成本、点号和运行维护这几个方面有很大的一个产品优势。同时随着技术进一步的发展和程度越来越高，未来产业化应用案例越来越广，AEM技术未来的发展空间上限是很大的。

亿纬氢能在电解水制氢产品，从实验室层面的单池级到我们现在推出的百千瓦级产品，以及后续的兆瓦级，我们都在开展相关的技术预研和攻关，一个产品想从研究层面推向市场，真正作为产品，需要经过充分的论证和验证，我们内部目前在兆瓦级也有对应的研究和基本的测试，后续我想通过结合后续的实际应用，我们不断打磨好我们这款产品，最后真正把这款产品推向市场。

总体来说，亿纬氢能紧紧围绕市场需求，以客户为中心，我们始终致力于核心技术的攻关和高质量产品的开发，同时因为AEM这个技术，毕竟这个行业刚刚发展起来，其实我们也秉持一个创新开放的理念，也希望与同行上下游一块儿合作，真正把这一块的事业给做大、做好，促进整个行业高质量的快速发展。

最后插播一个小广告，我们的展位在A02-35，也欢迎各位嘉宾去现场交流指导工作。

我的报告到此结束，谢谢大家！

观众提问：您好，我有两个小问题想请教您：

1、我注意到你们电解槽工作的温度好像一般在60—70摄氏度，还没有到更高的温度，例如80摄氏度，请问这个技术还没有突破的瓶颈大概在哪里？

2、刚才注意到你们好像可以对阴离子交换膜的失效机理进行快速分析，请问失效机理一般都有哪些因素？什么因素的影响比较大？

苏祥东：首先涉及到温度，大家更多关心为什么不用高温，高温下性能反而更好嘛。因为其实我们AEM技术就结合了PEM的优势，比如说零积聚，它相比于传统的ALK已经可以实现这种高效运行了，我们电密目前推出的产品已经可以很轻松地突破1万每平方厘米。所以这种情况下，我们不太追求往高的做，因为对于整个系统层面涉及到各种零部件和高分子材料，在高温的情况下必定整个运行成本比较高，投入成本要高，这些材料在高温体系下，它的衰减速度会加快，因为温度会导致材料发生老化，如果在更低的温度情况可以实现同样的性能就没有必要追求过高的温度。

关于AEM方面的，我们从2018年开始，如果算上庄老师这一块，我们从零几年到现在，已经将近十几年的技术积累了，目前我们今天提到的失效，我们是基于AEM隔膜开发出下一代产品，亿纬氢能这一块具有它的独特优势，因为我们对于隔膜的理解可能更深入一些，在这方面，我们在利用的过程中，刚才说它是一个很复杂的应力场，里面受到温度，因为应用于波动性工况，它的温度变化非常快，我们现在提出了高压差的电解槽需求，因为一次出氢有高压就可能不需要占用压缩机压缩，可以节省能耗。我们的电密变化情况，这些因素共同耦合，可能导致我们在AEM膜方面会发生不可逆的衰减。基于这些思考，我们提前做了对应的失效分析，看看它可以接受的边界是哪些，到时候再基于BOP控制系统，我们可以很好地去进行参数和方案的调节。