新型阴离子交换膜开发成功！实现高性能、高耐久性、低成本的制氢系统

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摘   要：研究团队开发了一种新型阴离子交换膜，其在碱性环境中也不会分解，而且在不使用铂等贵金属、仅使用纯水的水电解试验中，也成功实现了高效制氢，有望大幅降低可再生能源制氢的成本，为解决以碳中和为目标的能源问题作出重大贡献。

关键字：新型阴离子交换膜、固体碱性水电解系统、纯水型水电解系统、可再生能源制氢、高效制氢、电解质膜

要点

✦开发了一种在碱性水电解中具有高耐久性的阴离子交换膜

✦不使用铂等贵金属，只利用纯水的低成本水电解系统

✦实现兼具高转换效率和高耐久性的水电解，期待为氢能社会的实现做出贡献

概要

由AIpatent认证专家库成员（欲知详情可联络[e-mail]）等组成的研究团队成功开发出一种新型阴离子交换膜，利用该交换膜，能够实现高性能、高耐久性、低成本的纯水型水电解系统。

为利用输出不稳定的自然能源制取氢气，膜型水电解逐渐成为主流。然而，由于在传导H⁺离子的膜中为酸性环境，因此需要大量的铂。相反，在传导OH^-离子的阴离子交换膜中为碱性环境，因此不需要贵金属，但阴离子交换膜会发生分解。研究团队详细分析了其分解机制，开发出一种在碱性环境下不会分解的阴离子交换膜。此外，在使用纯水的水电解试验中，也成功实现了高效制氢。该水电解系统在80℃下超过100小时的试验中也保持稳定，实现了低成本、高性能、高耐久性的氢气制造。

背景

为了解决全球变暖的问题，需要实现二氧化碳净零排放的能源社会。而为了实现这一目标，需要一种能够大规模利用风能、太阳能等可再生能源作为清洁能源的机制。具体来说，需要一种水电解技术，通过水的电解将自然能源转换为氢气并对其进行储存和运输，在必要的场所和时间下通过燃料电池进行供电。这种水电解技术利用地球上取之不尽的水资源，作为不排放二氧化碳的制氢方法近年来备受关注。但是，要想广泛应用该技术，必须实现水电解的低成本和高效率。

研究过程

在现有的水电解技术中，一般使用碱性水溶液，但是无法应对因多变的天气导致的太阳能电池和风力发电的输出变动。虽然使用薄的高分子膜可以解决这个问题，但与燃料电池不同，水电解装置的隔膜和集电体不能使用碳材料。使用市面上销售的H⁺离子传导膜时，由于环境会变为酸性，所以不得不使用大量的铂来代替碳。铂材料的隔膜和集电体的成本是由膜和催化剂组合而成的膜电极接合体的3倍。

另一方面，如果使用传导OH^-离子的阴离子交换膜，环境就会变为碱性，因此大多数的金属都可以保持稳定，没有必要在隔膜和集电体上使用贵金属（图1），但阴离子交换膜在碱性环境中会分解。

因此，该研究团队通过对此前广泛使用的阴离子交换膜的分解机制进行详细分析，确定了问题所在，并开发了一种具有全芳香族主链骨架的高分子膜来作为在碱性环境中不会分解的阴离子交换膜。在此次研究中，作为期望具有高耐久性的阴离子交换膜，研究团队设计了一种能够通过被称为C-H活化聚合的聚合法容易量产且具有高分子量的高分子材料，开发出了具有优异机械强度的电解质膜。

图1. 以高分子膜为电解质的碱性水电解示意图

研究成果

该研究团队基于传导OH^-离子的阴离子交换膜是从高分子骨架中存在的乙醚开始分解的这一现象，开发出骨架只由苯环等芳香族键构成的全芳香族高分子型阴离子交换膜。这种膜的分子量高达20多万，而且溶于溶媒，因此容易制造。

将所开发的阴离子交换膜（PFOTFPh-Cx）用于水电解电池的电解质膜和催化层离聚物，制备了膜电极接合体（图2）。

图2. 本研究中合成的阴离子交换膜（PFOTFPh-Cx）和制成的膜电极接合体（MEA-Cx）

研究团队使用碱（1M KOH）水溶液测量了该膜电极接合体在80℃下的水电解性能（电流电压曲线）（图3a）。结果显示，在1.0A/cm²的高电流值下，所有膜电极接合体都能获得约1.8V的电压值（能量转换效率为80~83%），实现了从电到氢的高转换效率。此外，在温度为80℃、运行时间超过100小时的水电解试验中也几乎没有观察到电压变化（图3b），表明该膜电极接合体在高温、碱性环境下的水电解中具有很高的耐久性。

图3：在供给1M KOH水溶液的情况下，使用PFOTFPh-Cx的膜电极接合体（MEA-Cx）在80℃下的水电解性能（a），以恒定电流密度运行时的耐久性（b）。

此外，为了简化水电解系统，还进行了用纯水代替碱水溶液的水电解试验（图4a）。结果显示，即使在供给纯水的情况下，在1.0A/cm²的高电流值下也实现了69~76%的高水电解效率，所以纯水的电解也取得了成功。这是因为此次开发的阴离子交换聚合物的OH^-离子传导性高，即使不使用KOH水溶液，OH^-离子也能在催化剂层中高速传导。另外，使用PFOTFPh-C10膜的MEA-C10在温度为80℃、运行时间超过100小时的水电解试验中也保持稳定，显示出高耐久性（图4b）。

该研究成果首次在使用纯水和阴离子交换膜的固体碱性水电解系统中，同时实现了高水电解性能和耐久性，而且在只使用地球上丰富的水、不需要贵重金属的系统中便实现了这样的特性，因此该研究成果可以说是一项关系到制氢全过程的低成本化、高性能化以及耐久性提升的重要成果。

图4：在供给纯水的情况下，使用PFOTFPh-Cx的膜电极接合体（MEA-Cx）在80℃下的水电解性能（a），以恒定电流密度运行时的耐久性（b）。

未来展望

将本研究中开发的阴离子交换膜与镍等非贵金属催化剂相结合，有望实现更低的成本。今后，该研究团队将继续着眼于该水电解系统的实用化，在实际输出有变动的条件下进行试验，进一步提高耐久性和效率。

此次成功开发的固体碱性水电解系统，是一项有望大幅降低可再生能源制氢成本的技术，可以为解决以碳中和为目标的能源问题作出重大贡献，可以说是一项具有重大社会意义的成果。

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翻译：肖永红

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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