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2024

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碱性电解水制氢隔膜“突破”

作者:

金欧新材料研究院


 

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隔膜是碱性电解槽提效降本的关键材料之一

 

碱性电解水制氢技术是最成熟、全球商业应用最广泛、最具大规模应用潜力的制氢方式。传统碱性电解槽采用质量分数10%~30%KOH电解液,运行压力在1.6~3.2MPa,运行温度为80-90℃,相应电压为1.8-2.4V。尽管碱性电解水制氢技术已广泛应用,但仍存在单位制氢能耗高、电解水制氢成本高昂等问题。

 

 

 

 

碱性电解槽(来源:网络公开资料,金瓯新材料研究院整理)

 

碱性电解水所用隔膜的性能对电解槽的电耗和所产氢气的纯度有较大影响,是碱性电解槽的重要组成部分,主要作用包括3个方面:①分隔阴极和阳极形成阴极和阳极小室,防止短路;②避免两极气体产物混合;③有高离子导率,便于氢氧根离子由阴极传递至阳极。因此,理想的隔膜材料应具备以下特点:①良好的离子导率、高孔隙率、低电阻率;②高隔气性、高亲水性、高抗腐蚀性;③厚度薄、孔径小、机械强度高、尺寸稳定性好;④成本低、使用长。

 

隔膜是造成电解槽的内阻与额外能量损失的重要部位,隔膜的亲水性和电导率成为碱性电解槽降低能耗的重要影响因素。隔膜电阻越大,电流密度越高,造成的欧姆能量损失越严重。目前国内电解槽是用的隔膜,30℃下面电阻在1.0Ω/cm2以上,而国际上复合隔膜面电阻在0.1~0.3Ω/cm2,差距较大。研发具有高氢氧根传导率、高泡点压力、高耐用性及低气体渗透性的隔膜对碱性水溶液电解具有重要意义。

 

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复合隔膜成为未来趋势

 

从碱槽隔膜的发展来看,已经经历三代。第一代碱槽隔膜为石棉隔膜,因其为致癌物,逐渐被淘汰。20世纪70年代起,研究人员已开始寻找新聚合物材料来取代石棉。碱性电解槽用的聚合物材料要具有低电阻、高隔气性、高机械强度和高化学稳定性。最常用的聚合物材料包括聚苯硫醚 (PPS)、聚砜(PSF)、聚醚醚酮(PEEK)等。而PPS因为耐热性能优异、机械性能好、耐腐蚀、尺寸稳定性好,占据90%以上市场份额。

 

 

 

 

PPS隔膜具有电阻高,亲水性差、隔气性差等弱点,导致其组成的电解槽能耗较高,安全性较低,容易发生“炸槽”。因此,很多企业通过对PPS织物进行改性,增强其亲水性。

 

PPS隔膜改性的方法有两种,一种是对PPS进行化学处理,通过在聚苯硫醚的分子链上枝节亲水性的官能团(-SO3H、-C=O等),但是在后续的应用过程中发现枝节的官能团并不稳定,隔膜的耐久性不够好。另一种方法是对PPS织物表面涂覆功能涂层来改善其亲水性,成为复合隔膜。

 

复合隔膜表面涂覆的主要目的是改善隔膜的亲水性,提高隔膜与电解液的相容性,降低电解槽内阻。表面涂覆浆料中含有二氧化锆和聚合物,氧化锆中的氧离子与电解液中的水形成氢键,是改善PPS亲水性的主要物质。

 

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国内碱水制氢隔膜竞争格局

 

国内市场碱性电解槽企业多使用日本东丽的PPS隔膜。而对于复合隔膜,目前市场占主导地位的企业为Agfa,国内复合隔膜刚刚起步。

 

与发达国家相比,我国碱性隔膜材料研究具有起步时间晚、技术基础薄弱、研究投入不足、参与企业少等问题,市场进展较国外稍晚。

 

2023年来看,国内绿氢项目不断投资,碱性电解槽因其技术成熟,为多数绿氢项目投资选择。2023年12月12日,中国能建公布125套电解槽采购项目,其中采购1000Nm³/h ALK电解槽110套,200Nm³/h PEM电解槽15套,碱性电解槽占主导地位。

 

国家氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)明确指出,氢能是未来社会国家能源体系的重要组成部分,到2025年,可再生能源制氢量达到10-20万吨/年。随着国内绿氢项目不断投资,金瓯新材料研究院预计,到2030年国内碱性电解槽需求量将会达到70GW。

 

若按照电流密度0.3A/cm2,运行电压1.8V,隔膜利用率为90%条件下计算,一台1000Nm3碱性电解槽隔膜需求量约1300平米。现在国内市场,PPS隔膜售价约380元/㎡,则单台碱性电解槽隔膜价值量近49万元。若到2030年,单台隔膜需求量不变,按照现有价格计算,隔膜的市场需求规模超65亿元。

下游需求增长,带动上游膜材需求量不断提升,催生国内多个碱水制氢隔膜产业化项目。

 

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碱水隔膜的国内“突破”

①融资突破

 

随着绿氢浪潮席卷,2023年,国内多个隔膜企业获得融资。2023年2~11月,中科院背景膜团队孵化的宁波中科氢易完成三轮融资,总计数额近数亿元;2023年2月和11月,刻沃刻科技分别完成约千万元天使轮和数千万元Pre-A轮融资;2023年12月,欧阳明高院士团队孵化的碱性制氢隔膜领域新贵元泰能材获天使轮融资。

 

 

 

 

同时,在科研方面,2023年清华大学王海辉/丁力团队AFM:开发出高性能碱性水电解复合隔膜。该复合隔膜为多孔骨架支撑,具有高亲水性,超低的面电阻(0.15Ω•cm2)、超高的泡点压力(27bar)和优异的力学性能(14MPa),并且在电解过程中表现出优异的稳定性(1600h)和较高的电解水性能(2V,1.9A/cm2),产生的氢气纯度高达99.996%。在科研团队、企业资本的不断投入,推动国内碱性制氢产业链的完善和升级换代。

 

②产业化突破

 

目前,国内的天津凯瑞科技、天津津纶新材料、德阳科吉高新材料、四川中科兴业、正本新材、纳磐新材等具备PPS隔膜供应能力,但市场占有率不高。随着下游市场对电解槽的能耗和效率要求提高,市场对于高性能复合隔膜需求日益迫切。从全球来看,碱水隔膜正面临从PPS隔膜向复合隔膜转变的关键节点,这给国内隔膜企业进行复合隔膜产业化、抢占市场份额提供了契机。

 

2022年5月9日,西安氢基碳能科技有限公司取得了《氢基电解水制氢隔膜制造项目环境影响报告表的批复》,为复合隔膜产业化奠定了基础。

 

2023年6月,元泰能材完成碱性制氢复合隔膜中试,其旗下产品在500微米、300微米和200微米厚度的产品初步测试中,数据结果已经赶超国际头部企业。

 

中科氢易2023年完成3轮融资,其碱性制氢复合隔膜量产加速。中科氢易。第三代复合隔膜产品EHYDRO™PCM500+,不仅在亲水性、气体阻隔性等宏观性能表现方面优势明显。产品在头部厂商测试后反馈良好。

 

2023年11月,刻沃刻科技完成Pre-A轮融资,该轮融资将主要用于产品研发、产线及配套设施扩建以及团队扩张。2023年初,刻沃刻科技第三代复合隔膜K系列产品已经实现量产。

 

绿氢是深度脱碳、实现碳中和的必由之路。在这一大背景下,电解水制氢的装备及其配套的隔膜、催化电极等关键材料的发展空间大,趋势确定性强。碱性电解水制氢具有成本低的优势,开发高氢氧根传导率、高耐碱稳定性、低氢气渗透率、低成本的新型碱性电解水用隔膜对加快推动碱性电解水的产业化和清洁可再生能源的利用具有重要意义。

 

来源:金欧新材料研究院

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