電解槽技術迭代升級之際，關鍵零部件技術仍需突破

2020年以來國內(nèi)電解槽生產(chǎn)制造技術快速進步，單槽制氫量及制氫能耗水平等都有了較大提升，但在進一步性能提高及零部件優(yōu)化等方面仍然存在較多提升空間。堿性電解槽方面，其零部件已基本實現(xiàn)全部國產(chǎn)化，其研發(fā)及競爭重點正由大標方裝備的組裝生產(chǎn)邁向催化劑、隔膜等關鍵零部件的優(yōu)化；PEM電解槽方面，則在國產(chǎn)質(zhì)子交換膜、氣體擴散層等零部件產(chǎn)品質(zhì)量上還存在不足，仍需從原材料、生產(chǎn)工藝等方面進行更多突破。

下面，能景研究結(jié)合各材料零部件的生產(chǎn)工藝及技術，分析其優(yōu)化方案及突破點所在，以供行業(yè)參考。

01堿槽復合隔膜：結(jié)構(gòu)設計與合成方案是重點

復合隔膜引入無機化合物提高了隔膜的親水性與電導率。當前國內(nèi)主流應用的PPS編織膜機械強度高、酸堿耐受性強，但是由于其疏水特性導致其不易傳導電解質(zhì)離子，電阻過大，提高了電解槽能耗。將親水納米ZrO2等無機顆粒引入疏水性有機隔膜后可提高隔膜的親水性，從而降低電阻，降低制氫能耗。復合隔膜結(jié)構(gòu)設計與合成工藝方案決定了隔膜的穩(wěn)定性。從公開的專利、論文來看，復合隔膜的合成步驟為向有機組分溶液（或熔融態(tài)有機組分）中加入無機納米顆粒，然后共混制膜，總體上相對簡單。但無機納米顆粒與有機組分之間的結(jié)合作用較弱，容易發(fā)生脫離，因此需要開發(fā)新的無機/有機復合工藝，以及對有機組分和無機組分的微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，以提高兩者結(jié)合強度。

降低厚度、提高電導率是復合隔膜的重點發(fā)展方向。國際產(chǎn)品（Zirfon膜）厚度最低可降到0.2 mm，國內(nèi)尚在0.5 mm左右水平，其電阻率相差近3到4倍。但降低厚度面臨膜機械強度降低等難題，加上無機納米顆粒脫落將會給電解槽運行帶來安全風險，給工藝及隔膜結(jié)構(gòu)設計帶來了挑戰(zhàn)。

02新型催化劑：量產(chǎn)技術及穩(wěn)定性是研究重心

規(guī)�；�生產(chǎn)技術決定新型催化劑應用潛力。根據(jù)文獻總結(jié)，目前各類新型催化劑合成方法大類不低于15種，按合成條件分包括固、液、氣等多種方案，而且其中許多催化劑還需經(jīng)過多相態(tài)步驟的復雜處理工藝。然而目前實際上規(guī)模化應用的主要為液相還原方案，還需要反應條件溫和可控。某些實驗室或?qū)＠�中小批量的合成方法在工藝放大時會面臨產(chǎn)品不均勻，性能不達預期等問題。穩(wěn)定性突破是新型催化劑推廣應用的基本條件。鉑碳催化劑已經(jīng)過了多年規(guī)�；�生產(chǎn)及應用，性能及穩(wěn)定性得到了驗證；而其他采用了合金化、碳基底改性等方案的新型催化劑，雖然在降低過電位以及降低貴金屬含量等方面已經(jīng)超過了鉑碳，但同時面臨結(jié)構(gòu)失效、性能衰退等穩(wěn)定性差的困擾。如何解決高穩(wěn)定性與高性能之間的矛盾是目前新型催化劑研究的關鍵。低成本生產(chǎn)及合成方案是新型催化劑的研究重點。雖然部分新型催化劑可以同時做到高催化性能、較高穩(wěn)定性、低貴金屬含量同時具備，但其生產(chǎn)成本仍然阻礙其實際應用。以某類PtCo催化劑為例，為控制其納米尺寸、成分均勻性等，需使用較高成本的油胺等油相溶劑；而核殼結(jié)構(gòu)等新型微觀結(jié)構(gòu)設計，則合成步驟及工藝參數(shù)相較鉑碳更加復雜，產(chǎn)量、成本等需綜合考量。

03質(zhì)子交換膜：原料生產(chǎn)及成膜工藝是產(chǎn)品質(zhì)量突破核心

樹脂原料是質(zhì)子交換膜質(zhì)量的基礎。全氟磺酸樹脂由PSVE等含磺酸基的化合物與三氟乙醇合成單體，之后再與全氟乙烯或全氟丙烯等共聚合成。其中PSVE生產(chǎn)過程要深度除水產(chǎn)生氫化的PSVE副產(chǎn)物降低樹脂材料強度等，此外還需研簡化或低成本的合成技術；全氟磺酸樹脂則重在配方及合成條件控制以保障內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一及離子電導率等物理性能，需對物料比例、聚合方法、聚合引發(fā)劑、分散劑等進行綜合優(yōu)化。成膜技術路徑關系到膜產(chǎn)品最終質(zhì)量。全氟磺酸質(zhì)子交換膜的成型工藝包括擠出成型法與溶液成膜法兩大類，其中擠出成型法設備簡單，成膜厚度均勻、質(zhì)量穩(wěn)定，但對樹脂原料內(nèi)部強度均一性、工藝溫度控制等要求較高，攻克難度相對較大。溶液成膜法中工業(yè)上主要采用流延成型方案，對樹脂原料的質(zhì)量等要求相對較低，過程中將全氟磺酸樹脂溶液或溶膠均勻涂敷在移動鋼帶上，經(jīng)加熱干燥后剝離成膜，但在干燥溫度、厚度控制、產(chǎn)品均勻性保障等方面需精細調(diào)控。

04碳紙：短切纖維原材料及生產(chǎn)工藝需重點突破

碳紙質(zhì)量依賴于工藝流程的整體優(yōu)化程度。以最常用的濕法工藝為例，碳紙生產(chǎn)從短切碳纖維開始，經(jīng)過造紙、碳化及石墨化共3大步驟，用于燃料電池的氣體擴散層還需要經(jīng)過附著疏水層處理。各大步驟下還包括數(shù)個細節(jié)步驟，每一步驟細節(jié)都對最終碳紙產(chǎn)品的性能有較大影響，如抄紙時的漿液濃度影響碳紙的孔隙率、均一性等，因此碳紙生產(chǎn)需進行全方位的統(tǒng)籌優(yōu)化。

短切碳纖維是決定碳紙質(zhì)量的基礎。短切碳纖維是由連續(xù)碳纖維使用集束劑集束后，短切到2~18 mm制成的碳纖維材料。其生產(chǎn)過程中表面處理工藝、集束劑選擇等關系到后續(xù)造紙過程中的分散性、與樹脂材料的結(jié)合強度等，決定了產(chǎn)出的原紙及最終碳紙的厚度均勻性、孔隙率等關鍵性能參數(shù)。原紙是左右碳紙質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)。原紙作為最終碳化與石墨化步驟的原材料，可以說其成紙質(zhì)量已經(jīng)決定了最終碳紙的質(zhì)量。原紙生產(chǎn)包括抄紙、樹脂浸漬固化兩個環(huán)節(jié)，其中抄紙環(huán)節(jié)難度較高，需解決碳纖維疏水的難題以保障成紙均勻等，要研究合適的碳纖維活化工藝、分散劑、膠黏劑等多種因素；樹脂浸漬環(huán)節(jié)需對樹脂種類（酚醛樹脂等）、含量、固化壓力溫度等進行研究甄選，以保證最終碳化后的碳紙強度、導電性等。

05小結(jié)

國內(nèi)電解槽在向新技術路徑拓展時離不開關鍵零部件的進一步突破，主要包括材料及生產(chǎn)工藝兩大方面。其中工藝難題最多，需依靠經(jīng)驗及數(shù)據(jù)積累進行優(yōu)化；材料類的突破離不開生產(chǎn)工藝優(yōu)化的同時，同樣離不開微觀結(jié)構(gòu)設計等方面的科研創(chuàng)新。

來源：能景研究

作者：云龍

       原文標題 : 電解槽核心材料的技術突破點