莒纳科技:以材料科技创新突破PEM电解槽膜电极成本难题

规模化电解制氢示范已有两年,现有电解设备难以耦合绿电的缺陷开始陆续显现,绿氢新共识逐步形成。预计 2023 年下半年,国内外市场将批量化出现绿氢示范项目,电解制氢设备的关键突破点从“大标方”向“耦合绿电”发展。

PEM电解槽电流密度高、可耦合绿电的特点受到重视。但仍面临着:1)贵金属催化剂导致成本偏高;2)制成工艺连续化受限;3)寿命有待验证等问题,导致其难以大规模推广,其中成本问题最受关注。

PEM电解槽主要由膜电极和双极板构成。作为电化学反应发生的场所,膜电极被称为电解槽的“心脏”,是直接决定PEM电解槽性能与成本的核心部件。PEM电解槽的三大问题与膜电极发展水平直接相关,突破膜电极产业化成为解决PEM电解槽推广问题的关键。2022年开始,PEM电解槽膜电极热度提升明显,但由于规模不足、贵金属载量高、均一性差等问题,产业化难题仍未突破。

参考燃料电池膜电极发展历程,氢云链认为,率先实现降低贵金属载量、解决浆料涂布均一性、降低膜电极衰减的企业将有望领跑PEM电解槽膜电极市场竞争。 

莒纳科技作为专业的绿氢电极供应商,其碱液电极产品推动碱液电解槽走向万 A 时代,PEM 电解槽膜电极也已经由第三方权威机构完成样品测试。基于催化剂材料微观结构改进和工艺创新,其膜电极实现了在2 A@1.9 V@60°C的性能下成本有望降低 30 %的目标, 并突破了浆料分散和涂布转印工艺,能够高效、均匀地完成大面积涂布(3000cm²)。

氢云链希望通过莒纳科技的膜电极技术思路,探讨PEM电解槽产业化的路径,并进一步探讨电解槽电极供应商的发展路径。

莒纳科技 PEM膜电极技术创新

1、PEM膜电极的难题

膜电极占据电解槽成本约30%,是电解槽性能、寿命与成本的核心。因此膜电极的产品水平直接决定PEM电解槽产品水平。

目前膜电极在技术和工艺上面临着成本高、催化剂均一性差、涂布难等三大问题,其中由于成本高是PEM电解槽推广难的关键问题,因此催化剂成本受关注程度最高。

(1)催化剂贵金属载量大、成本高

贵金属载量大推高膜电极成本。由于质子膜形成的强酸性环境导致催化剂选择范围小,尤其是阳极过高的过电位导致选择更加狭窄。目前阴极催化剂主要为铂-碳等,负载为2mg/cm²,阳极主要为二氧化铱等,负载约为6mg/cm²,原材料成本高,替代难度大。由于催化剂成本占膜电极成本比重大,加之贵金属成本高昂,成为膜电极成本居高不下的重要原因。

铱储量少引发行业担忧。由于铱全球年开采量仅有5-10吨且高度集中于南非。如果铱需求持续上升,将可能导致价格飞涨甚至供不应求,极大制约产业正常发展。

(2)催化剂均一性不理想

氧化铱比重大且没有载体,在制作浆料过程中易出现聚集及沉降现象,影响了浆料的均一性,从而影响了膜电极的寿命和可涂布面积。因此对浆料的物料投放顺序、预混时间、温度、分散工艺等均有很高要求。

(3)涂布工艺一致性差

对比燃料电池质子膜8-10微米的厚度,电解槽质子膜厚度达到150-200微米,溶胀率高,在涂布时容易出现溶胀、变形等情况,对浆料配比、涂布工艺提出了很高要求。

2、莒纳的解决方案

针对膜电极面临的难题,莒纳科技通过催化剂材料微观结构改进和工艺创新,实现了在性能不变的情况下膜电极成本有望下降约30%的目标,并加速了膜电极连续、稳定的规模化生产工艺,从成本和生产工艺两个方面推动了膜电极的产品化,推动PEM电解槽的商业化应用。

莒纳科技PEM膜电极

(1)低铂低铱催化剂推动膜电极降本30%

催化剂纳米结构及成分优化提升活性、降低载量。莒纳科技阴极催化剂采用自主合成的Pt-过渡金属合金纳米材料,阳极催化剂采用自研核壳结构材料,从而增强活性位点协同作用,提高催化剂有效反应活性面积,同时促进电荷传输增强导电性,大幅降低铂、铱负载量。

通过微观结构的优化,莒纳科技催化剂在保证膜电极性能达到<1.9V@2A前提下:

阴极Pt载量小于0.2mg/cm²;

阳极IrO2载量小于1 mg/cm²;

膜电极总成本下降约30%。

PEM膜电极同业对比

三路径进一步降低催化剂成本。莒纳科技研发人员表示:“未来我们还将在催化剂负载量上实现一个数量级的下降。此外,我们还将配合建立催化剂回收流程、提升电解效率等方式,解决催化剂贵金属焦虑,系统性地降低PEM电解槽成本。”

(2)先进的生产工艺保障产品的一致性

浆料48小时稳定性+连续涂布工艺保障产品一致性。膜电极在制备过程中,需要完成催化剂合成、浆料制备、CCM 制备、封装等关键工艺,莒纳科技在催化剂-浆料-涂布转印三个层面,体系性地通过工艺创新保障了膜电极的一致性:

通过组份、温度等参数精准调控的化学合成工艺,确保阴、阳催化剂材料尺寸均一性和性能稳定性;

通过联合分散工艺(搅拌、超声、剪切、破碎和乳化等),使浆料的分散均匀,且稳定时间超过48h,确保后续连续涂布均匀性。

使用大幅宽狭缝涂布机+热转印工艺,避免PEM膜溶胀等问题,确保涂层均一性和生产效率,保障了大面积(活性面积大于3000cm²)涂布的良率。

目前莒纳科技的PEM膜电极已经由第三方权威机构完成样品测试。根据电解槽厂商的测试数据,莒纳科技膜电极在载量降低的同时能够维持和先进PEM电解水膜电极相同水平的性能,满足工程应用的要求。

莒纳科技PEM膜电极(CCM)测试数据

ALK+PEM+AEM三路线,莒纳科技领跑绿氢电极赛道

随着示范规模的扩大,电解制氢应用场景和实际需求情况,头部电解槽厂商普遍开始双技术路线乃至三路线布局,以实现兼顾当下的市场需求与未来的市场发展趋势。

在此情况下,电解槽厂商需要更全面、更深度的产业链支持,产业需要构建更完善的分工体系。电极作为电解槽成本与性能的核心,电极企业的创新速度将直接影响产业链的发展速度。

以莒纳科技为代表的供应商已经进行了积极的布局。

基于对技术发展的长期跟踪和对市场发展趋势的预判,在技术方面,莒纳科技已经完成了三技术路线布局,能够满足客户对不同场景、不同应用的要求,站在技术发展潮流前沿。

在ALK方面,率先推出了电密最高可达11900A/m²、低能耗的JA系列电极产品,推动碱性电解槽走入万A电密时代,满足碱性电解槽高电密发展趋势;

在PEM方面,其低成本、高性能膜电极产品将于2023年底于成都正式投产,有利于推动PEM电解槽规模化应用;

在 AEM 方面,莒纳科技已经完成了适配弱碱性环境的高活性、非贵金属催化剂研制,AEM膜电极已经完成小试,预计明年推出产品,以低成本、膜电极推动AEM制氢技术发展。

首批装载莒纳科技JA碱液电极的产品,将于2023年第四季度实现商业化运行。

小 结

经过了2年多的电解制氢示范,电解槽市场存在两大问题。

1、现阶段电解槽存在“耦合绿电-单槽大标方-设备低成本”的“绿氢不可能三角”。这需要通过推动电极、隔膜等核心零部件的性能提升,进而从材料、结构、系统等维度体系性推动电解槽的性能的提升,从而实现突破“绿氢不可能三角”。

2、在市场竞争中还出现了产品同质化的问题,市场存在陷入纯价格竞争的风险。这要求槽商及上游供应商能够根据具体的应用场景,针对性地推出不同的解决方案。

技术创新是解决“不可能三角”和“同质化竞争”的关键。

莒纳科技正是国内电解槽技术创新的一个缩影:通过三技术路线、多品种产品的电极开发,1)实现碱槽性能提升、PEM槽成本下降和AEM槽的产业化,推动三类电解槽的规模化应用;2)通过差异化产品设计满足不同场景对电解槽的需求,避免电解槽产品的同质化竞争。这也是目前业内槽商和电极厂商的共同努力的方向。

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