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莒纳科技:助力碱性电解槽走进万A电密时代

氢云链| 2023-1-13 16:52 阅读 746 评论 0

在全球能源安全和碳中和背景下,氢能需求爆发,电解槽市场启动。由于成本优势,碱性电解槽成为电解水制氢市场的主导力量,以PEM电解槽为主的欧美地区也开始跑步进入碱性电解槽领域。

在面对可再生能源制氢、制加氢一体站等新场景、新需求时,碱性电解槽出现制氢量不足、体积庞大、能耗过高等一系列难题,其主要原因是由于电流密度较低等技术难点长期未得到突破,这也是对比PEM电解槽最主要的性能差距。

在实现持续突破单槽产氢量后,提高电流密度成为碱性电解槽提升性价比优势、保持对PEM电解槽市场领先的关键。打破碱性电解槽电流密度天花板,需要在材料、设计、工艺等多方面入手,其中改进电极是最关键的环节之一。

莒纳科技是绿氢电极材料与解决方案供应商,聚焦先进电催化材料科技的创新与技术应用,致力于为电解槽企业提供领先的电极产品。1月12日,莒纳科技于其成都工厂举办产品发布会,宣布其首款碱液电极JA系列正式量产下线,电流密度最高可达11900A/m²,并在现场与宝瀛气体、中电丰业、国富氢能等企业签署超千万订单。

图表1 莒纳科技碱液电极产品下线发布会

来源:莒纳科技

莒纳科技万安级别产品的量产,一方面将助力碱性电解槽进入万安电密时代,另一方面也说明电解槽产业进入产业分工、协同创新的新阶段。上下游企业需要根据新的产业阶段,设定新的产品技术目标和产业合作模式,才能真正把握市场发展机遇,推动企业和产业向前发展。

01 超高电密:碱性电解槽的发展创新难题

碱性电解槽成市场主流,大标方“军备竞赛”启动。2022年全球电解槽市场规模再次翻倍。由于巨大的成本优势,碱性电解槽占据了国内市场的绝对地位,在一向被认为偏好PEM电解槽的国外市场中也实现了反超。

碱性电解槽新品频出,而“大标方”成为众多碱性电解槽新品的最大卖点。单槽产能持续攀升,短短一年内从1000Nm³/h发展到2000Nm³/h,颇有“军备竞赛”之感。

值得注意的是,本轮电解槽热潮更多解决了企业自身“有无”问题,对于其他环节技术创新关联较少。

高电密将成碱性电解槽下阶段创新重点。在大标方取得阶段性成绩后,随着电解设备规模化示范应用和电解槽产业链持续完善,碱性电解槽开始面临新挑战。

一是新场景下新需求显现。制加氢一体站、工业大规模制氢等新场景发展提出了小型化、轻量化、长寿命、易维修等要求。

以制加氢一体站为例,有加氢站企业向氢云链表示:“2023年制加氢一体站将会大量出现,对电解槽的体积、重量就提出了新要求。”

二是PEM电解槽的竞争。随着产业链逐渐形成、产能逐步建立,国内PEM电解槽成本将在技术进步和规模效应的叠加作用下快速下降,目前价格高于碱槽5-7倍的情况将得到明显改善,性价比大幅提升,同时PEM的单槽产能也在持续突破。

在成本优势大幅下降时,碱性电解槽性能方面的劣势将被放大,市场竞争的关键将可能从价格向性价比转变。有电解槽厂商向氢云链说道:“在未来看得见的5年里,碱性电解槽成本将下降一半,PEM电解槽则降至目前碱性电解槽的价格。价格和单槽产能等方面差距的缩小肯定会对碱性电解槽形成冲击,碱槽必须实现性能上的提升,才能维持市场竞争力。”

碱性电解槽必须突破小型化、轻量化等新场景需求,并缩小乃至赶超与PEM槽在性能上的差距。

关键在于提升电流密度。电流密度是目前碱性电解槽与PEM电解槽最主要的性能差距之一。目前国内碱性电解槽的电流密度基本在5000A/m²以下,对比PEM电解槽动辄10000A/m²以上的电密达到3-7倍差距。碱性电解槽体积庞大、重量过高、能耗高等待突破难题同样与较低的电流密度息息相关。

部分碱性电解槽厂商已开始致力于提高电密并取得一定的成绩,但距离PEM槽万安级电密仍有相当距离。

02 莒纳科技助力碱性电解槽进入万A电流密度时代

提高电密方法包括调整核心材料、优化结构和电极性能等,其中优化电极是最佳路径之一。

莒纳科技JA系列碱液电极通过独特的催化剂材料设计和创新的负载工艺,实现碱性电解槽电流密度突破万安大关。

图表1 莒纳科技碱液电极产品

来源:莒纳科技

  • 电密提升50%,最高达到11900A/m²。根据电解槽厂商实测数据,JA系列电极可将电解槽电流密度提升50%以上,最高可达11900A/m²,媲美PEM电解槽。

  • 电耗降低10-20%,最低可至3.66kwh/Nm³·H₂。JA系列电极通过降低析氢、析氧过电位和电极接触电阻,使小室电压下降20%,电解效率提升至近80%,从而降低能耗超10%,直流电耗最低可至3.66kwh/Nm³·H,实现氢气生产电耗小于50kwh/kg。

  • 自由定制电极尺寸,尺寸直径可达1.9m。为满足碱性电解槽的结构创新需求,除了镍网、泡沫镍等基材可选外,莒纳科技还能够根据槽商实际需求定制电极形状,尺寸可在100-1900mm直接内调整,厚度调整范围是0.2mm-5.0mm。

图3 莒纳科技工厂投产

来源:莒纳科技

2022年12月,莒纳科技成都工厂正式投产,开启交付。数家电解槽厂商对莒纳科技的量产产品进行了测试,图4为电解槽厂商的实测数据。

其中中电丰业是最早一批参与莒纳科技产品测试的槽商。其负责人表示:“莒纳科技电极所表现出的优异性能让我们意识到电解槽即将进入万安电密的时代。这意味着碱性电解槽可以与PEM电解槽相媲美,对于产业而言是非常重要的事情。我们希望通过与莒纳科技这样新晋的专业配套商合作,发挥其高效率低成本的产品优势,一同争取更为广阔的市场。”

图4 槽商对莒纳科技电极产品的实测数据

来源:莒纳科技

莒纳科技JA系列电极的高电密、低电耗特性可帮助解决电解槽的多个难题。

1)推高单槽产能

在电解小室不变情况下,电流密度提升可以直接提升电解槽功率,实现产氢量的提高,助力电解槽突破3000标方。

2)实现槽体小型化、轻量化

在相同的产氢速率下,电流密度的提升可减少50%以上的小室数量,从而实现槽体体积减少50%以上,满足更多室内或撬装需求。

3)降低生产投入、运营成本

生产成本方面,小室数量的减少直接减少50%生产用料,并显著降低工艺难度,从而降低生产成本,同时还降低了对生产设备和厂房的要求,如槽体长度缩短后,有望不再需要甲类厂房作为生产场所。

运营成本方面,电费是电解制氢的主要成本,电耗下降将显著降低运营成本——以产氢量1000标方/小时的电解槽为例,若电解槽寿命为10年,生命周期内最高可节省4000万度!

本次签约方之一的宝瀛气体的负责人说道:“作为气体商,电解制氢的降本增效是我们关注的核心。搭载莒纳科技电极的电解制氢系统在效率与能耗上有非常明显的优势,有望降低运营成本,提升盈利空间。”

03 协同创新推动电解槽产品发展

在新场景要求下,电解槽出现了一系列新技术难点,电解槽产业需要对原材料、生产工艺、大规模系统集成、电-氢耦合等难点进行突破,这仅依靠槽商难以完成。

产业分工是走向成熟的标致。核心零部件供应商的发展,除了提供更多产品解决方案外,更重要的是提供电解槽行业“水煤电”,承担突破核心零部件难题重任,让电解槽厂商回归本位。

莒纳科技就是其中的典型代表。莒纳科技通过提供万安级别的电极产品和定制化的产品服务,解决槽商在电极环节的后顾之忧,让槽商更加专注于电解槽整体的突破;通过协同创新,加快推动电解槽新技术和新应用难题的解决。莒纳科技已经得到了市场的回应,目前已经与宝瀛气体、中电丰业、国富氢能等多家电解槽企业达成合作协议,订单已达到千万级别。

正如国富氢能所言:“此次与莒纳科技的合作,让我们看到了碱液电解槽突破当下性能极限的可能,也意味着电解槽的发展已经进入细分领域。我们希望通过与莒纳的合作,共同探索下一代电解槽的最优配置,不仅为双方企业,也为行业领域,开启新的篇章。”

不仅仅是万安电密。在与槽商的积极合作的基础上,莒纳科技的技术人员提出了下一代电解槽的性能目标:

  • 性能达到11900A/m²@2.0V@85°C;
  • 电流密度调节范围达到1000-11900A/m²;
  • 电密在3000A/m²情况下,直流电耗降低至4.0kWh/Nm³·H以下。

“采用‘莒纳电极+复合隔膜+扩散层+平板结构’的方案有望实现这个目标。”莒纳负责人说道。这有利于推动下一代电解槽在性能上实现“高电密-宽负载-低电耗”的全面突破,满足可再生能源波动性要求、进一步推动电解槽大标方发展、实现电解槽的小型化和轻量化,大幅缩小与PEM电解槽的性能差距,保持碱槽在市场的领先。

这也象征着,电解槽产业已经进入协同创新的新阶段,产品技术指标的设计、产业合作的模式都将迎来新变化,进而推动市场新机遇的出现。

编辑:风氢扬 校对:氢氢我心 审核:氢云小仙女

来源:氢云链

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