【Nature Communications文献分享研究】阳极加压改善 AEM 电解水运行表现
绿氢是新能源脱碳的关键载体，阴离子交换膜电解水（AEMWE）凭借可使用非贵金属催化剂、设备结构紧凑等优势，被视作有望实现低成本规模化制氢的核心路线之一。但长期以来，高电流密度下水分-离子输运不足、氢气跨膜渗透显著、风光波动工况适应性差三大难题，始终制约着 AEM WE的落地应用与推广。近日，清华大学、合肥工业大学、北京大学、北京理工大学联合团队在《Nature Communications》发表重磅研究，提出窄孔道阴离子交换膜 + 阳极正向压差耦合创新方案，从材料设计与运行工况双维度协同破解行业痛点。
一、行业现存核心痛点，制约 AEM 制氢规模化
当前主流单侧阳极通碱、阴极干态 AEM 电解构型存在着难以调和的矛盾：
高电流密度极易阴极干膜：电解过程中氢氧根向阳极迁移，电渗拖拽水分子反向迁移，与阴极产氢所需水源形成逆向竞争；高温运行下缺水问题加剧，槽压大幅上升，电流密度难以突破。
氢气跨膜渗透安全与经济性双重损耗：膜内输水通道同时会让氢气小分子穿透膜层，导致低负载、风光动态波动工况下氧中氢（HTO）数值提高，不仅降低氢气纯度并造成原料损耗，氢-氧相互混合还存在爆炸等安全隐患。
传统膜改良方案存在性能取舍：单纯提升膜离子交换容量、增大孔隙虽然能改善水的传输，但会带来膜溶胀加剧、力学强度下降、耐碱稳定性变差等问题，无法兼顾高传导、长寿命、低渗氢三大需求。
二、顶刊创新方案：膜微观结构调控 + 阳极压差协同增效
图1 具有定向增强H₂O/OH⁻传导和抑制H₂交叉的阳极增压ET-AEMWE示意图
1、新型膜材料设计逻辑
团队自主合成奎宁环鎓功能化刚性聚三联苯 AEM（PTPA-6-Qui），依靠聚合物相分离构筑1-2 nm 的窄连续亲水纳米通道。窄孔径结构大幅降低氢气分子跨膜传递能力，同时刚性无芳醚骨架搭配笼型奎宁环阳离子，赋予膜优异耐碱稳定性、低溶胀、高力学强度，在2000 h 碱液老化后性能无明显衰减。
2、阳极正向压差运行机制（最优压差 100 kPa）
在阳极侧设置高于阴极的正向压力梯度，引入压力驱动水渗透通量，克服电场带来的电渗反向输水损耗；一方面持续为阴极供给充足水分，支撑超高电流密度运行，另一方面压差配合窄孔道形成双重屏障，大幅抑制氢气跨膜渗透。
方案实测亮眼数据
✅ 搭配低成本 NiFe 阳极，90℃、2V 下电流密度达 11.2 A cm−2；25cm2大面积槽可直接产出 300 kPa 加压氢气，节省后端压缩成本；
✅ 2000h 长时运行衰减＜1μV h−1，超高电解槽稳定性，适配工业连续生产；
✅ 风光波动工况下，法拉第效率超 99.9%，动态变载 4 万次膜无损伤；
✅ 万吨级制氢站测算，制氢成本低至 1.82 $/kg，商业化优势突出。
三、AEM膜实测对比
氢阻隔性能对比：PTPA-6-Qui＞AEMemr-40＞ PiperION-A40
图2 三款AEM膜有无100 kPa情况下的HTO比较
其中AEMemr-40为安徽聚石氢友科技有限公司的商用膜产品牌号。同等条件下，与另一款商用AEM膜相比，聚石氢友 AEMemr-40 产品优势显著：低负载 0.1 A cm−2 严苛工况下，竞品商用膜氧中氢数值更高；施加 100 kPa 压差后，竞品商用膜氢渗透降幅有限，而 AEMemr-40 全程氧中氢含量更低。
更低的氧中氢含量将为客户带来 3 大核心价值
更安全：氢气跨膜量大幅降低，规避氢氧混合爆炸风险，适配光伏、风电波动低载场景；
更省钱：氢气损耗少，法拉第效率更高，同等耗电量产氢更多，长期运营成本更低；
氢纯度更高：产出高纯氢气，简化后端提纯设备投入，适配加氢站、化工原料等多元场景。
该顶刊研究证实，阳极加压是 AEM 电解水降本增效的有效路线之一，而聚石氢友自研 AEMemr-40，依托优异的微观孔道结构，在核心安全指标方面优于海外竞品。
聚石氢友深耕阴离子交换膜研发，AEMemr® 经多场景实测佐证性能优势。聚石氢友将持续迭代膜材产品，配合公司开发的阴离子聚电解质材料（AEMemr®-PAI）为制氢设备厂商提供高性能、高稳定 AEM 整体解决方案，携手加速AEMWE绿氢制备商业化落地。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-026-72950-3#ethics
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