規模化電解制氫示范已有兩年，現有電解設備難以耦合綠電的缺陷開始陸續顯現，綠氫新共識逐步形成。預計 2023 年下半年，國內外市場將批量化出現綠氫示范項目，電解制氫設備的關鍵突破點從“大標方”向“耦合綠電”發展。

 

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

 

PEM電解槽主要由膜電極和雙極板構成。作為電化學反應發生的場所，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展水平直接相關，突破膜電極產業化成為解決PEM電解槽推廣問題的關鍵。2022年開始，PEM電解槽膜電極熱度提升明顯，但由于規模不足、貴金屬載量高、均一性差等問題，產業化難題仍未突破。

 

參考燃料電池膜電極發展歷程，氫云鏈認為，率先實現降低貴金屬載量、解決漿料涂布均一性、降低膜電極衰減的企業將有望領跑PEM電解槽膜電極市場競爭。　

 

莒納科技作為專業的綠氫電極供應商，其堿液電極產品推動堿液電解槽走向萬 A　時代，PEM 電解槽膜電極也已經由第三方權威機構完成樣品測試。基于催化劑材料微觀結構改進和工藝創新，其膜電極實現了在2 A＠1.9 V＠60°C的性能下成本有望降低 30　％的目標，　并突破了漿料分散和涂布轉印工藝，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思路，探討PEM電解槽產業化的路徑，并進一步探討電解槽電極供應商的發展路徑。

 

莒納科技 PEM膜電極技術創新

 

1、PEM膜電極的難題

 

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

 

目前膜電極在技術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電解槽推廣難的關鍵問題，因此催化劑成本受關注程度最高。

 

（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。由于質子膜形成的強酸性環境導致催化劑選擇范圍小，尤其是陽極過高的過電位導致選擇更加狹窄。目前陰極催化劑主要為鉑－碳等，負載為2mg／cm2，陽極主要為二氧化銥等，負載約為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。

 

銥儲量少引發行業擔憂。由于銥全球年開采量僅有5－10噸且高度集中于南非。如果銥需求持續上升，將可能導致價格飛漲甚至供不應求，極大制約產業正常發展。

 

（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聚集及沉降現象，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。因此對漿料的物料投放順序、預混時間、溫度、分散工藝等均有很高要求。

 

（3）涂布工藝一致性差

 

對比燃料電池質子膜8－10微米的厚度，電解槽質子膜厚度達到150－200微米，溶脹率高，在涂布時容易出現溶脹、變形等情況，對漿料配比、涂布工藝提出了很高要求。

 

2、莒納的解決方案

 

針對膜電極面臨的難題，莒納科技通過催化劑材料微觀結構改進和工藝創新，實現了在性能不變的情況下膜電極成本有望下降約30％的目標，并加速了膜電極連續、穩定的規模化生產工藝，從成本和生產工藝兩個方面推動了膜電極的產品化，推動PEM電解槽的商業化應用。

 

莒納科技PEM膜電極

 

（1）低鉑低銥催化劑推動膜電極降本30％

催化劑納米結構及成分優化提升活性、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，陽極催化劑采用自研核殼結構材料，從而增強活性位點協同作用，提高催化劑有效反應活性面積，同時促進電荷傳輸增強導電性，大幅降低鉑、銥負載量。

 

通過微觀結構的優化，莒納科技催化劑在保證膜電極性能達到＜1.9V＠2A前提下：

 

陰極Pt載量小于0.2mg／cm2；

 

陽極IrO2載量小于1 mg／cm2；

 

膜電極總成本下降約30％。

 

PEM膜電極同業對比

 

三路徑進一步降低催化劑成本。莒納科技研發人員表示：“未來我們還將在催化劑負載量上實現一個數量級的下降。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，系統性地降低PEM電解槽成本。”

 

（2）先進的生產工藝保障產品的一致性

 

漿料48小時穩定性＋連續涂布工藝保障產品一致性。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、封裝等關鍵工藝，莒納科技在催化劑－漿料－涂布轉印三個層面，體系性地通過工藝創新保障了膜電極的一致性：

 

通過組份、溫度等參數精準調控的化學合成工藝，確保陰、陽催化劑材料尺寸均一性和性能穩定性；

 

通過聯合分散工藝（攪拌、超聲、剪切、破碎和乳化等），使漿料的分散均勻，且穩定時間超過48h，確保后續連續涂布均勻性。

 

使用大幅寬狹縫涂布機＋熱轉印工藝，避免PEM膜溶脹等問題，確保涂層均一性和生產效率，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膜電極已經由第三方權威機構完成樣品測試。根據電解槽廠商的測試數據，莒納科技膜電極在載量降低的同時能夠維持和先進PEM電解水膜電極相同水平的性能，滿足工程應用的要求。

 

莒納科技PEM膜電極（CCM）測試數據

 

ALK＋PEM＋AEM三路線，莒納科技領跑綠氫電極賽道

 

隨著示范規模的擴大，電解制氫應用場景和實際需求情況，頭部電解槽廠商普遍開始雙技術路線乃至三路線布局，以實現兼顧當下的市場需求與未來的市場發展趨勢。

 

在此情況下，電解槽廠商需要更全面、更深度的產業鏈支持，產業需要構建更完善的分工體系。電極作為電解槽成本與性能的核心，電極企業的創新速度將直接影響產業鏈的發展速度。

 

以莒納科技為代表的供應商已經進行了積極的布局。

 

基于對技術發展的長期跟蹤和對市場發展趨勢的預判，在技術方面，莒納科技已經完成了三技術路線布局，能夠滿足客戶對不同場景、不同應用的要求，站在技術發展潮流前沿。

 

在ALK方面，率先推出了電密最高可達11900A／m2、低能耗的JA系列電極產品，推動堿性電解槽走入萬A電密時代，滿足堿性電解槽高電密發展趨勢；

 

在PEM方面，其低成本、高性能膜電極產品將于2023年底于成都正式投產，有利于推動PEM電解槽規模化應用；

 

在 AEM 方面，莒納科技已經完成了適配弱堿性環境的高活性、非貴金屬催化劑研制，AEM膜電極已經完成小試，預計明年推出產品，以低成本、膜電極推動AEM制氫技術發展。

 

首批裝載莒納科技JA堿液電極的產品，將于2023年第四季度實現商業化運行。

 

小 結

 

經過了2年多的電解制氫示范，電解槽市場存在兩大問題。

 

1、現階段電解槽存在“耦合綠電－單槽大標方－設備低成本”的“綠氫不可能三角”。這需要通過推動電極、隔膜等核心零部件的性能提升，進而從材料、結構、系統等維度體系性推動電解槽的性能的提升，從而實現突破“綠氫不可能三角”。

 

2、在市場競爭中還出現了產品同質化的問題，市場存在陷入純價格競爭的風險。這要求槽商及上游供應商能夠根據具體的應用場景，針對性地推出不同的解決方案。

 

技術創新是解決“不可能三角”和“同質化競爭”的關鍵。

 

莒納科技正是國內電解槽技術創新的一個縮影：通過三技術路線、多品種產品的電極開發，1）實現堿槽性能提升、PEM槽成本下降和AEM槽的產業化，推動三類電解槽的規模化應用；2）通過差異化產品設計滿足不同場景對電解槽的需求，避免電解槽產品的同質化競爭。這也是目前業內槽商和電極廠商的共同努力的方向。

 

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