規(guī)?；娊庵茪涫痉兑延袃赡?，現(xiàn)有電解設(shè)備難以耦合綠電的缺陷開始陸續(xù)顯現(xiàn)，綠氫新共識(shí)逐步形成。預(yù)計(jì) 2023 年下半年，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)將批量化出現(xiàn)綠氫示范項(xiàng)目，電解制氫設(shè)備的關(guān)鍵突破點(diǎn)從“大標(biāo)方”向“耦合綠電”發(fā)展。

 

PEM電解槽電流密度高、可耦合綠電的特點(diǎn)受到重視。但仍面臨著：1）貴金屬催化劑導(dǎo)致成本偏高；2）制成工藝連續(xù)化受限；3）壽命有待驗(yàn)證等問題，導(dǎo)致其難以大規(guī)模推廣，其中成本問題最受關(guān)注。

 

PEM電解槽主要由膜電極和雙極板構(gòu)成。作為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，膜電極被稱為電解槽的“心臟”，是直接決定PEM電解槽性能與成本的核心部件。PEM電解槽的三大問題與膜電極發(fā)展水平直接相關(guān)，突破膜電極產(chǎn)業(yè)化成為解決PEM電解槽推廣問題的關(guān)鍵。2022年開始，PEM電解槽膜電極熱度提升明顯，但由于規(guī)模不足、貴金屬載量高、均一性差等問題，產(chǎn)業(yè)化難題仍未突破。

 

參考燃料電池膜電極發(fā)展歷程，氫云鏈認(rèn)為，率先實(shí)現(xiàn)降低貴金屬載量、解決漿料涂布均一性、降低膜電極衰減的企業(yè)將有望領(lǐng)跑PEM電解槽膜電極市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。　

 

莒納科技作為專業(yè)的綠氫電極供應(yīng)商，其堿液電極產(chǎn)品推動(dòng)堿液電解槽走向萬(wàn) A　時(shí)代，PEM 電解槽膜電極也已經(jīng)由第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)完成樣品測(cè)試?；诖呋瘎┎牧衔⒂^結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，其膜電極實(shí)現(xiàn)了在2 A＠1.9 V＠60°C的性能下成本有望降低 30　％的目標(biāo)，　并突破了漿料分散和涂布轉(zhuǎn)印工藝，能夠高效、均勻地完成大面積涂布（3000cm2）。

 

氫云鏈希望通過莒納科技的膜電極技術(shù)思路，探討PEM電解槽產(chǎn)業(yè)化的路徑，并進(jìn)一步探討電解槽電極供應(yīng)商的發(fā)展路徑。

 

莒納科技 PEM膜電極技術(shù)創(chuàng)新

 

1、PEM膜電極的難題

 

膜電極占據(jù)電解槽成本約30％，是電解槽性能、壽命與成本的核心。因此膜電極的產(chǎn)品水平直接決定PEM電解槽產(chǎn)品水平。

 

目前膜電極在技術(shù)和工藝上面臨著成本高、催化劑均一性差、涂布難等三大問題，其中由于成本高是PEM電解槽推廣難的關(guān)鍵問題，因此催化劑成本受關(guān)注程度最高。

 

（1）催化劑貴金屬載量大、成本高

 

貴金屬載量大推高膜電極成本。由于質(zhì)子膜形成的強(qiáng)酸性環(huán)境導(dǎo)致催化劑選擇范圍小，尤其是陽(yáng)極過高的過電位導(dǎo)致選擇更加狹窄。目前陰極催化劑主要為鉑－碳等，負(fù)載為2mg／cm2，陽(yáng)極主要為二氧化銥等，負(fù)載約為6mg／cm2，原材料成本高，替代難度大。由于催化劑成本占膜電極成本比重大，加之貴金屬成本高昂，成為膜電極成本居高不下的重要原因。

 

銥儲(chǔ)量少引發(fā)行業(yè)擔(dān)憂。由于銥全球年開采量?jī)H有5－10噸且高度集中于南非。如果銥需求持續(xù)上升，將可能導(dǎo)致價(jià)格飛漲甚至供不應(yīng)求，極大制約產(chǎn)業(yè)正常發(fā)展。

 

（2）催化劑均一性不理想

 

氧化銥比重大且沒有載體，在制作漿料過程中易出現(xiàn)聚集及沉降現(xiàn)象，影響了漿料的均一性，從而影響了膜電極的壽命和可涂布面積。因此對(duì)漿料的物料投放順序、預(yù)混時(shí)間、溫度、分散工藝等均有很高要求。

 

（3）涂布工藝一致性差

 

對(duì)比燃料電池質(zhì)子膜8－10微米的厚度，電解槽質(zhì)子膜厚度達(dá)到150－200微米，溶脹率高，在涂布時(shí)容易出現(xiàn)溶脹、變形等情況，對(duì)漿料配比、涂布工藝提出了很高要求。

 

2、莒納的解決方案

 

針對(duì)膜電極面臨的難題，莒納科技通過催化劑材料微觀結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了在性能不變的情況下膜電極成本有望下降約30％的目標(biāo)，并加速了膜電極連續(xù)、穩(wěn)定的規(guī)?；a(chǎn)工藝，從成本和生產(chǎn)工藝兩個(gè)方面推動(dòng)了膜電極的產(chǎn)品化，推動(dòng)PEM電解槽的商業(yè)化應(yīng)用。

 

莒納科技PEM膜電極

 

（1）低鉑低銥催化劑推動(dòng)膜電極降本30％

催化劑納米結(jié)構(gòu)及成分優(yōu)化提升活性、降低載量。莒納科技陰極催化劑采用自主合成的Pt－過渡金屬合金納米材料，陽(yáng)極催化劑采用自研核殼結(jié)構(gòu)材料，從而增強(qiáng)活性位點(diǎn)協(xié)同作用，提高催化劑有效反應(yīng)活性面積，同時(shí)促進(jìn)電荷傳輸增強(qiáng)導(dǎo)電性，大幅降低鉑、銥負(fù)載量。

 

通過微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，莒納科技催化劑在保證膜電極性能達(dá)到＜1.9V＠2A前提下：

 

陰極Pt載量小于0.2mg／cm2；

 

陽(yáng)極IrO2載量小于1 mg／cm2；

 

膜電極總成本下降約30％。

 

PEM膜電極同業(yè)對(duì)比

 

三路徑進(jìn)一步降低催化劑成本。莒納科技研發(fā)人員表示：“未來我們還將在催化劑負(fù)載量上實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)量級(jí)的下降。此外，我們還將配合建立催化劑回收流程、提升電解效率等方式，解決催化劑貴金屬焦慮，系統(tǒng)性地降低PEM電解槽成本。”

 

（2）先進(jìn)的生產(chǎn)工藝保障產(chǎn)品的一致性

 

漿料48小時(shí)穩(wěn)定性＋連續(xù)涂布工藝保障產(chǎn)品一致性。膜電極在制備過程中，需要完成催化劑合成、漿料制備、CCM　制備、封裝等關(guān)鍵工藝，莒納科技在催化劑－漿料－涂布轉(zhuǎn)印三個(gè)層面，體系性地通過工藝創(chuàng)新保障了膜電極的一致性：

 

通過組份、溫度等參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控的化學(xué)合成工藝，確保陰、陽(yáng)催化劑材料尺寸均一性和性能穩(wěn)定性；

 

通過聯(lián)合分散工藝（攪拌、超聲、剪切、破碎和乳化等），使?jié){料的分散均勻，且穩(wěn)定時(shí)間超過48h，確保后續(xù)連續(xù)涂布均勻性。

 

使用大幅寬狹縫涂布機(jī)＋熱轉(zhuǎn)印工藝，避免PEM膜溶脹等問題，確保涂層均一性和生產(chǎn)效率，保障了大面積（活性面積大于3000cm2）涂布的良率。

 

目前莒納科技的PEM膜電極已經(jīng)由第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)完成樣品測(cè)試。根據(jù)電解槽廠商的測(cè)試數(shù)據(jù)，莒納科技膜電極在載量降低的同時(shí)能夠維持和先進(jìn)PEM電解水膜電極相同水平的性能，滿足工程應(yīng)用的要求。

 

莒納科技PEM膜電極（CCM）測(cè)試數(shù)據(jù)

 

ALK＋PEM＋AEM三路線，莒納科技領(lǐng)跑綠氫電極賽道

 

隨著示范規(guī)模的擴(kuò)大，電解制氫應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際需求情況，頭部電解槽廠商普遍開始雙技術(shù)路線乃至三路線布局，以實(shí)現(xiàn)兼顧當(dāng)下的市場(chǎng)需求與未來的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。

 

在此情況下，電解槽廠商需要更全面、更深度的產(chǎn)業(yè)鏈支持，產(chǎn)業(yè)需要構(gòu)建更完善的分工體系。電極作為電解槽成本與性能的核心，電極企業(yè)的創(chuàng)新速度將直接影響產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展速度。

 

以莒納科技為代表的供應(yīng)商已經(jīng)進(jìn)行了積極的布局。

 

基于對(duì)技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)期跟蹤和對(duì)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)判，在技術(shù)方面，莒納科技已經(jīng)完成了三技術(shù)路線布局，能夠滿足客戶對(duì)不同場(chǎng)景、不同應(yīng)用的要求，站在技術(shù)發(fā)展潮流前沿。

 

在ALK方面，率先推出了電密最高可達(dá)11900A／m2、低能耗的JA系列電極產(chǎn)品，推動(dòng)堿性電解槽走入萬(wàn)A電密時(shí)代，滿足堿性電解槽高電密發(fā)展趨勢(shì)；

 

在PEM方面，其低成本、高性能膜電極產(chǎn)品將于2023年底于成都正式投產(chǎn)，有利于推動(dòng)PEM電解槽規(guī)?；瘧?yīng)用；

 

在 AEM 方面，莒納科技已經(jīng)完成了適配弱堿性環(huán)境的高活性、非貴金屬催化劑研制，AEM膜電極已經(jīng)完成小試，預(yù)計(jì)明年推出產(chǎn)品，以低成本、膜電極推動(dòng)AEM制氫技術(shù)發(fā)展。

 

首批裝載莒納科技JA堿液電極的產(chǎn)品，將于2023年第四季度實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。

 

小 結(jié)

 

經(jīng)過了2年多的電解制氫示范，電解槽市場(chǎng)存在兩大問題。

 

1、現(xiàn)階段電解槽存在“耦合綠電－單槽大標(biāo)方－設(shè)備低成本”的“綠氫不可能三角”。這需要通過推動(dòng)電極、隔膜等核心零部件的性能提升，進(jìn)而從材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等維度體系性推動(dòng)電解槽的性能的提升，從而實(shí)現(xiàn)突破“綠氫不可能三角”。

 

2、在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中還出現(xiàn)了產(chǎn)品同質(zhì)化的問題，市場(chǎng)存在陷入純價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)險(xiǎn)。這要求槽商及上游供應(yīng)商能夠根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)性地推出不同的解決方案。

 

技術(shù)創(chuàng)新是解決“不可能三角”和“同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)”的關(guān)鍵。

 

莒納科技正是國(guó)內(nèi)電解槽技術(shù)創(chuàng)新的一個(gè)縮影：通過三技術(shù)路線、多品種產(chǎn)品的電極開發(fā)，1）實(shí)現(xiàn)堿槽性能提升、PEM槽成本下降和AEM槽的產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)三類電解槽的規(guī)模化應(yīng)用；2）通過差異化產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足不同場(chǎng)景對(duì)電解槽的需求，避免電解槽產(chǎn)品的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)。這也是目前業(yè)內(nèi)槽商和電極廠商的共同努力的方向。

 

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