堿性電解槽：助力堿性電解槽走進(jìn)萬A電密時(shí)代

在全球能源安全和碳中和背景下，氫能需求爆發(fā)，電解槽市場(chǎng)啟動(dòng)。由于成本優(yōu)勢(shì)，堿性電解槽成為電解水制氫市場(chǎng)的主導(dǎo)力量，以PEM電解槽為主的歐美地區(qū)也開始跑步進(jìn)入堿性電解槽領(lǐng)域。

在面對(duì)可再生能源制氫、制加氫一體站等新場(chǎng)景、新需求時(shí)，堿性電解槽出現(xiàn)制氫量不足、體積龐大、能耗過高等一系列難題，其主要原因是由于電流密度較低等技術(shù)難點(diǎn)長(zhǎng)期未得到突破，這也是對(duì)比PEM電解槽最主要的性能差距。

在實(shí)現(xiàn)持續(xù)突破單槽產(chǎn)氫量后，提高電流密度成為堿性電解槽提升性價(jià)比優(yōu)勢(shì)、保持對(duì)PEM電解槽市場(chǎng)領(lǐng)先的關(guān)鍵。打破堿性電解槽電流密度天花板，需要在材料、設(shè)計(jì)、工藝等多方面入手，其中改進(jìn)電極是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

莒納科技是綠氫電極材料與解決方案供應(yīng)商，聚焦先進(jìn)電催化材料科技的創(chuàng)新與技術(shù)應(yīng)用，致力于為電解槽企業(yè)提供領(lǐng)先的電極產(chǎn)品。1月12日，莒納科技于其成都工廠舉辦產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，宣布其首款堿液電極JA系列正式量產(chǎn)下線，電流密度最高可達(dá)11900A/m²，并在現(xiàn)場(chǎng)與寶瀛氣體、中電豐業(yè)、國富氫能等企業(yè)簽署超千萬訂單。

圖表1 莒納科技?jí)A液電極產(chǎn)品下線發(fā)布會(huì)

來源：莒納科技

莒納科技萬安級(jí)別產(chǎn)品的量產(chǎn)，一方面將助力堿性電解槽進(jìn)入萬安電密時(shí)代，另一方面也說明電解槽產(chǎn)業(yè)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)分工、協(xié)同創(chuàng)新的新階段。上下游企業(yè)需要根據(jù)新的產(chǎn)業(yè)階段，設(shè)定新的產(chǎn)品技術(shù)目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)合作模式，才能真正把握市場(chǎng)發(fā)展機(jī)遇，推動(dòng)企業(yè)和產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。

01 超高電密：堿性電解槽的發(fā)展創(chuàng)新難題

堿性電解槽成市場(chǎng)主流，大標(biāo)方“軍備競(jìng)賽”啟動(dòng)。2022年全球電解槽市場(chǎng)規(guī)模再次翻倍。由于巨大的成本優(yōu)勢(shì)，堿性電解槽占據(jù)了國內(nèi)市場(chǎng)的絕對(duì)地位，在一向被認(rèn)為偏好PEM電解槽的國外市場(chǎng)中也實(shí)現(xiàn)了反超。

堿性電解槽新品頻出，而“大標(biāo)方”成為眾多堿性電解槽新品的最大賣點(diǎn)。單槽產(chǎn)能持續(xù)攀升，短短一年內(nèi)從1000Nm³/h發(fā)展到2000Nm³/h，頗有“軍備競(jìng)賽”之感。

值得注意的是，本輪電解槽熱潮更多解決了企業(yè)自身“有無”問題，對(duì)于其他環(huán)節(jié)技術(shù)創(chuàng)新關(guān)聯(lián)較少。

高電密將成堿性電解槽下階段創(chuàng)新重點(diǎn)。在大標(biāo)方取得階段性成績(jī)后，隨著電解設(shè)備規(guī)模化示范應(yīng)用和電解槽產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)完善，堿性電解槽開始面臨新挑戰(zhàn)。

一是新場(chǎng)景下新需求顯現(xiàn)。制加氫一體站、工業(yè)大規(guī)模制氫等新場(chǎng)景發(fā)展提出了小型化、輕量化、長(zhǎng)壽命、易維修等要求。

以制加氫一體站為例，有加氫站企業(yè)向氫云鏈表示：“2023年制加氫一體站將會(huì)大量出現(xiàn)，對(duì)電解槽的體積、重量就提出了新要求。”

二是PEM電解槽的競(jìng)爭(zhēng)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈逐漸形成、產(chǎn)能逐步建立，國內(nèi)PEM電解槽成本將在技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的疊加作用下快速下降，目前價(jià)格高于堿槽5-7倍的情況將得到明顯改善，性價(jià)比大幅提升，同時(shí)PEM的單槽產(chǎn)能也在持續(xù)突破。

在成本優(yōu)勢(shì)大幅下降時(shí)，堿性電解槽性能方面的劣勢(shì)將被放大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵將可能從價(jià)格向性價(jià)比轉(zhuǎn)變。有電解槽廠商向氫云鏈說道：“在未來看得見的5年里，堿性電解槽成本將下降一半，PEM電解槽則降至目前堿性電解槽的價(jià)格。價(jià)格和單槽產(chǎn)能等方面差距的縮小肯定會(huì)對(duì)堿性電解槽形成沖擊，堿槽必須實(shí)現(xiàn)性能上的提升，才能維持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。”

堿性電解槽必須突破小型化、輕量化等新場(chǎng)景需求，并縮小乃至趕超與PEM槽在性能上的差距。

關(guān)鍵在于提升電流密度。電流密度是目前堿性電解槽與PEM電解槽最主要的性能差距之一。目前國內(nèi)堿性電解槽的電流密度基本在5000A/m²以下，對(duì)比PEM電解槽動(dòng)輒10000A/m²以上的電密達(dá)到3-7倍差距。堿性電解槽體積龐大、重量過高、能耗高等待突破難題同樣與較低的電流密度息息相關(guān)。

部分堿性電解槽廠商已開始致力于提高電密并取得一定的成績(jī)，但距離PEM槽萬安級(jí)電密仍有相當(dāng)距離。

02 莒納科技助力堿性電解槽進(jìn)入萬A電流密度時(shí)代

提高電密方法包括調(diào)整核心材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和電極性能等，其中優(yōu)化電極是最佳路徑之一。

莒納科技JA系列堿液電極通過獨(dú)特的催化劑材料設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的負(fù)載工藝，實(shí)現(xiàn)堿性電解槽電流密度突破萬安大關(guān)。

圖表1 莒納科技?jí)A液電極產(chǎn)品

來源：莒納科技

電密提升50%，最高達(dá)到11900A/m²。根據(jù)電解槽廠商實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，JA系列電極可將電解槽電流密度提升50%以上，最高可達(dá)11900A/m²，媲美PEM電解槽。

電耗降低10-20%，最低可至3.66kwh/Nm³·H?。JA系列電極通過降低析氫、析氧過電位和電極接觸電阻，使小室電壓下降20%，電解效率提升至近80%，從而降低能耗超10%，直流電耗最低可至3.66kwh/Nm³·H?，實(shí)現(xiàn)氫氣生產(chǎn)電耗小于50kwh/kg。

自由定制電極尺寸，尺寸直徑可達(dá)1.9m。為滿足堿性電解槽的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新需求，除了鎳網(wǎng)、泡沫鎳等基材可選外，莒納科技還能夠根據(jù)槽商實(shí)際需求定制電極形狀，尺寸可在100-1900mm直接內(nèi)調(diào)整，厚度調(diào)整范圍是0.2mm-5.0mm。

圖3 莒納科技工廠投產(chǎn)

來源：莒納科技

2022年12月，莒納科技成都工廠正式投產(chǎn)，開啟交付。數(shù)家電解槽廠商對(duì)莒納科技的量產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，圖4為電解槽廠商的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

其中中電豐業(yè)是最早一批參與莒納科技產(chǎn)品測(cè)試的槽商。其負(fù)責(zé)人表示：“莒納科技電極所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能讓我們意識(shí)到電解槽即將進(jìn)入萬安電密的時(shí)代。這意味著堿性電解槽可以與PEM電解槽相媲美，對(duì)于產(chǎn)業(yè)而言是非常重要的事情。我們希望通過與莒納科技這樣新晉的專業(yè)配套商合作，發(fā)揮其高效率低成本的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，一同爭(zhēng)取更為廣闊的市場(chǎng)。”

圖4 槽商對(duì)莒納科技電極產(chǎn)品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

來源：莒納科技

莒納科技JA系列電極的高電密、低電耗特性可幫助解決電解槽的多個(gè)難題。

1）推高單槽產(chǎn)能

在電解小室不變情況下，電流密度提升可以直接提升電解槽功率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫量的提高，助力電解槽突破3000標(biāo)方。

2）實(shí)現(xiàn)槽體小型化、輕量化

在相同的產(chǎn)氫速率下，電流密度的提升可減少50%以上的小室數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)槽體體積減少50%以上，滿足更多室內(nèi)或撬裝需求。

3）降低生產(chǎn)投入、運(yùn)營成本

生產(chǎn)成本方面，小室數(shù)量的減少直接減少50%生產(chǎn)用料，并顯著降低工藝難度，從而降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還降低了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和廠房的要求，如槽體長(zhǎng)度縮短后，有望不再需要甲類廠房作為生產(chǎn)場(chǎng)所。

運(yùn)營成本方面，電費(fèi)是電解制氫的主要成本，電耗下降將顯著降低運(yùn)營成本——以產(chǎn)氫量1000標(biāo)方/小時(shí)的電解槽為例，若電解槽壽命為10年，生命周期內(nèi)最高可節(jié)省4000萬度！

本次簽約方之一的寶瀛氣體的負(fù)責(zé)人說道：“作為氣體商，電解制氫的降本增效是我們關(guān)注的核心。搭載莒納科技電極的電解制氫系統(tǒng)在效率與能耗上有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，有望降低運(yùn)營成本，提升盈利空間。”

03 協(xié)同創(chuàng)新推動(dòng)電解槽產(chǎn)品發(fā)展

在新場(chǎng)景要求下，電解槽出現(xiàn)了一系列新技術(shù)難點(diǎn)，電解槽產(chǎn)業(yè)需要對(duì)原材料、生產(chǎn)工藝、大規(guī)模系統(tǒng)集成、電-氫耦合等難點(diǎn)進(jìn)行突破，這僅依靠槽商難以完成。

產(chǎn)業(yè)分工是走向成熟的標(biāo)致。核心零部件供應(yīng)商的發(fā)展，除了提供更多產(chǎn)品解決方案外，更重要的是提供電解槽行業(yè)“水煤電”，承擔(dān)突破核心零部件難題重任，讓電解槽廠商回歸本位。

莒納科技就是其中的典型代表。莒納科技通過提供萬安級(jí)別的電極產(chǎn)品和定制化的產(chǎn)品服務(wù)，解決槽商在電極環(huán)節(jié)的后顧之憂，讓槽商更加專注于電解槽整體的突破；通過協(xié)同創(chuàng)新，加快推動(dòng)電解槽新技術(shù)和新應(yīng)用難題的解決。莒納科技已經(jīng)得到了市場(chǎng)的回應(yīng)，目前已經(jīng)與寶瀛氣體、中電豐業(yè)、國富氫能等多家電解槽企業(yè)達(dá)成合作協(xié)議，訂單已達(dá)到千萬級(jí)別。

正如國富氫能所言：“此次與莒納科技的合作，讓我們看到了堿液電解槽突破當(dāng)下性能極限的可能，也意味著電解槽的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入細(xì)分領(lǐng)域。我們希望通過與莒納的合作，共同探索下一代電解槽的最優(yōu)配置，不僅為雙方企業(yè)，也為行業(yè)領(lǐng)域，開啟新的篇章。”

不僅僅是萬安電密。在與槽商的積極合作的基礎(chǔ)上，莒納科技的技術(shù)人員提出了下一代電解槽的性能目標(biāo)：

性能達(dá)到11900A/m²@2.0V@85°C；

電流密度調(diào)節(jié)范圍達(dá)到1000-11900A/m²；

電密在3000A/m²情況下，直流電耗降低至4.0kWh/Nm³·H?以下。

“采用‘莒納電極+復(fù)合隔膜+擴(kuò)散層+平板結(jié)構(gòu)’的方案有望實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。”莒納負(fù)責(zé)人說道。這有利于推動(dòng)下一代電解槽在性能上實(shí)現(xiàn)“高電密-寬負(fù)載-低電耗”的全面突破，滿足可再生能源波動(dòng)性要求、進(jìn)一步推動(dòng)電解槽大標(biāo)方發(fā)展、實(shí)現(xiàn)電解槽的小型化和輕量化，大幅縮小與PEM電解槽的性能差距，保持堿槽在市場(chǎng)的領(lǐng)先。

這也象征著，電解槽產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入?yún)f(xié)同創(chuàng)新的新階段，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)合作的模式都將迎來新變化，進(jìn)而推動(dòng)市場(chǎng)新機(jī)遇的出現(xiàn)。