燃料電池電堆企業(yè)開發(fā)PEM電解槽“起風(fēng)”
發(fā)布時(shí)間：
2022-06-02
在堿水制氫(AWE)、PEM制氫和SOEC制氫三大技術(shù)路線中，PEM制氫技術(shù)的運(yùn)行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高，適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性特征、易于與可再生能源消納相結(jié)合，被認(rèn)為是電解水制氫的適宜方案。
在堿水制氫(AWE)、PEM制氫和SOEC制氫三大技術(shù)路線中，PEM制氫技術(shù)的運(yùn)行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高，適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性特征、易于與可再生能源消納相結(jié)合，被認(rèn)為是電解水制氫的適宜方案。 隨著可再生能源制氫項(xiàng)目的增多，今年國內(nèi)電解水制氫設(shè)備需求出現(xiàn)井噴，PEM制氫進(jìn)展迅速。中國船舶718所、中科院大化所、山東賽克賽斯、高成綠能、淳華氫能、深圳綠航等多家公司在PEM制氫設(shè)備方面的訂單同比都有不同程度的增長。 PEM電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、陰陽極端板等，結(jié)構(gòu)與燃料電池電堆類似，只是材料體系不同。在PEM制氫設(shè)備市場(chǎng)機(jī)遇凸顯的形勢(shì)下，當(dāng)前已有少數(shù)PEM燃料電池電堆企業(yè)開始入局研發(fā)PEM電解槽，膜電極及雙極板企業(yè)也在跟進(jìn)中，這在未來會(huì)成為普遍現(xiàn)象嗎?
技術(shù)門檻頗高
PEM電解水與PEM燃料電池互為逆反應(yīng)，前者是電解水制氫，后者是氫氧反應(yīng)生成水。PEM電解槽的結(jié)構(gòu)與PEM燃料電池電堆類似，但PEM電解槽的材料體系與電堆相比有很大的差別，要真正做好PEM電解槽產(chǎn)品不容易。 淳化氫能副總經(jīng)理李俊榮表示：“由于工作環(huán)境的差異，PEM電解槽對(duì)核心部件和材料耐久性和壽命的要求更高。要做好PEM電解槽，需要對(duì)催化劑和膜電極材料有較深的理解，并且需要做好電解槽的密封。” 電催化劑方面，PEM電解槽的電催化劑研究主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物，以鈦材料為載體的負(fù)載型催化劑，非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發(fā)難度較大。 膜電極方面，PEM電解水的陽極需要耐酸性環(huán)境腐蝕、耐高電位腐蝕，應(yīng)具有合適的孔洞結(jié)構(gòu)以便氣體和水通過。PEM燃料電池中常用的膜電極材料(如碳材料)無法用于水電解陽極。為此，3M公司研發(fā)了納米結(jié)構(gòu)薄膜(NSTF)電極，陰陽兩極分別采用Ir、Pt催化劑，載量均為0.25mg/c㎡。 雙極板方面，在PEM電解槽陽極嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，若雙極板被腐蝕將會(huì)導(dǎo)致金屬離子浸出，進(jìn)而污染PEM，因此常用的雙極板保護(hù)措施是在表面制備一層防腐涂層，其耐腐蝕要求比PEM燃料電池更高。
實(shí)力企業(yè)著手布局
正因?yàn)榧夹g(shù)難度大，在PEM電解槽市場(chǎng)需求明顯提升的背景下，當(dāng)前有研發(fā)跟進(jìn)PEM電解槽及核心部件產(chǎn)品的也僅是個(gè)別頭部電堆、膜電極及雙極板企業(yè)，另外還有一些綜合實(shí)力強(qiáng)的國企及上市公司也開始了針對(duì)PEM電解水制氫裝備的技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)布局。 作為國內(nèi)膜電極頭部企業(yè)，鴻基創(chuàng)能全資子公司鴻基創(chuàng)能科技(佛山)有限公司于今年5月與佛山市南海區(qū)人民政府正式簽署關(guān)于燃料電池高性能膜電極產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的《投資合作協(xié)議》。該項(xiàng)目計(jì)劃投資1億元，建設(shè)燃料電池膜電極和PEM電解水制氫膜電極產(chǎn)業(yè)化基地。PEM電解水制氫膜電極是鴻基創(chuàng)能的新項(xiàng)目，今年內(nèi)將完成中試，并在南海基地實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 國內(nèi)金屬雙極板龍頭企業(yè)上海治臻在6月舉行的FCVC2021上展示了PEM電解槽雙極板樣品，在尋求國內(nèi)PEM電解槽企業(yè)合作。 此外，光伏巨頭之一陽光電源在今年3月推出國內(nèi)首款最大功率250kW的SEP50 PEM制氫電解槽。該P(yáng)EM制氫電解槽核心部件均為國產(chǎn)。為了配合市場(chǎng)需求，陽光電源已開始規(guī)劃建設(shè)全自動(dòng)化電解槽組裝生產(chǎn)線。 上海電氣電站集團(tuán)也于今年3月與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所揭牌成立PEM電解水制氫技術(shù)研發(fā)中心，簽訂了“兆瓦級(jí)模塊化高效PEM電解水制氫裝備及系統(tǒng)開發(fā)”項(xiàng)目合作協(xié)議。
吉電股份(000875)近日在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，長春氫能產(chǎn)業(yè)基地的先導(dǎo)項(xiàng)目為PEM電解制氫裝備研發(fā)、制造項(xiàng)目;威孚高科也公開表示，公司將PEM電解水制氫系統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)劃納入擬成立的氫能事業(yè)部業(yè)務(wù)范圍。
現(xiàn)階段國內(nèi)外市場(chǎng)格局
在更多的企業(yè)選擇進(jìn)入PEM電解水制氫裝備領(lǐng)域前，有必要先深入了解現(xiàn)有PEM電解水制氫裝備的市場(chǎng)格局及技術(shù)水平，以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。 據(jù)悉，國際上純水制氫設(shè)備的商業(yè)化進(jìn)程早在20年前就已經(jīng)開啟，NEL-Proton、SIEMENS、ITM Power、Hydrogenics等公司幾乎囊括了世界范圍內(nèi)的PEM電解制氫設(shè)備市場(chǎng)。過去10年間，全球加速推進(jìn)可再生能源PEM電解水制氫示范項(xiàng)目建設(shè)，示范項(xiàng)目數(shù)量和單體規(guī)模呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，目前PEM水電解制氫已邁入10 MW級(jí)別示范應(yīng)用階段。 具體來看，NEL-Proton PEM水電解制氫裝置的部署量超過2000套(分布于72個(gè)國家和地區(qū))，擁有全球PEM水電解制氫70%的市場(chǎng)份額，具備集成10MW以上制氫系統(tǒng)的能力;收購了Hydrogenics的康明斯在今年5月宣布，計(jì)劃投資5000萬歐元在西班牙投建500MW /年的PEM電解槽工廠，用于生產(chǎn)綠氫。 在國內(nèi)，聚焦PEM水電解制氫設(shè)備的公司及科研機(jī)構(gòu)主要有中國船舶718所、中科院大化所、山東賽克賽斯、高成綠能、淳華氫能、深圳綠航等。 718所上半年在國內(nèi)電解水制氫設(shè)備領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率頗高，當(dāng)前以堿水制氫為主，其客戶包括殼牌、國家能源、協(xié)鑫、寶武清能等。現(xiàn)階段718所正在重點(diǎn)發(fā)力PEM電解水制氫，其已擴(kuò)容新建2大廠房，其中PEM電解水制氫設(shè)備年產(chǎn)能120臺(tái)/套。 “目前公司已經(jīng)交付的PEM電解水設(shè)備訂單都是小型的電解槽。”718所技術(shù)部部長劉曉峰告訴高工氫電，公司已經(jīng)交付的PEM電解槽都在20m³以下，今年上半年接到4臺(tái)50m³PEM電堆槽訂單預(yù)計(jì)將在9月底前交付。 山東賽克賽斯上半年電解水制氫設(shè)備的銷售額已達(dá)4000萬元，小型PEM電解水制氫裝置銷量達(dá)1500臺(tái);大型設(shè)備訂單持續(xù)不斷，包括出口伊朗。“今年到現(xiàn)在一直沒閑著，訂單非常火爆，PEM電解水制氫設(shè)備有一個(gè)月的時(shí)間甚至供不應(yīng)求。”該公司工程部總監(jiān)侯力軍表示。 在綠氫發(fā)展呼聲高漲背景下，電解水制氫正迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇，預(yù)計(jì)未來對(duì)大型PEM電解水制氫設(shè)備需求將進(jìn)一步增加。
國內(nèi)上述企業(yè)目前在小型PEM電解水制氫設(shè)備上已經(jīng)有不錯(cuò)的收獲，但針對(duì)大型PEM電解水制氫技術(shù)上還有較大的提升空間。這對(duì)于新入局者而言，無疑是挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。
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