國內(nèi)PEM制氫設(shè)備企業(yè)開始往更大標(biāo)方的方向上 “發(fā)力“。
近日，陽光氫能科技有限公司(下稱“陽光氫能“)200標(biāo)方PEM制氫系統(tǒng)啟運(yùn)發(fā)貨，長春綠動氫能科技有限公司(下稱”長春綠動“)“兆瓦級高性能質(zhì)子交換膜電解制氫裝備”項(xiàng)目順利通過鑒定，國產(chǎn)PEM水電解制氫設(shè)備大有向200標(biāo)方以上邁進(jìn)的意味。
據(jù)了解，PEM電解水制氫設(shè)備制氫能力提升主要取決于電解槽，PEM制氫系統(tǒng)向200標(biāo)方突破背后，PEM電解槽技術(shù)的提升才是難點(diǎn)所在，現(xiàn)階段國內(nèi)已經(jīng)成熟應(yīng)用的PEM電解槽大多在100標(biāo)方以下，如何突破更大標(biāo)方、更高功率密度仍是考驗(yàn)。
“PEM電解槽從50標(biāo)方跨越到200標(biāo)方，技術(shù)難度是幾何級增加的。”NEL中國總經(jīng)理竺炯操告訴高工氫電，PEM電解槽往更大標(biāo)方的方向發(fā)展，在提升制氫能力的同時(shí)，意味著材料和制備工藝必須升級。
大標(biāo)方PEM制氫設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀
從國內(nèi)主要PEM電解水制氫設(shè)備企業(yè)近期的表現(xiàn)來看，已經(jīng)落地的多個(gè)項(xiàng)目都在往更大標(biāo)方的方向發(fā)展。
以陽光氫能為例，其近期啟運(yùn)發(fā)貨的200標(biāo)方PEM制氫系統(tǒng)，采用國內(nèi)領(lǐng)先的PEM電解水制氫技術(shù)和IGBT制氫電源，利用電廠屋頂光伏為氫能系統(tǒng)提供電力，通過氫站內(nèi)加氫設(shè)備給燃料電池重卡加氫，以達(dá)到氫能制、儲、加一體化的示范性效果，是國內(nèi)為數(shù)不多制氫系統(tǒng)在氫站制氫的商業(yè)化示范項(xiàng)目。
陽光氫能方面表示，該套制氫系統(tǒng)除PEM制氫優(yōu)勢外，還具有智能化程度高的特點(diǎn)，采用智能控制算法與可再生能源波動、間歇性特點(diǎn)相契合兼具高效、經(jīng)濟(jì)、安全、智能等優(yōu)勢，有效適用于制、儲、加一體化制氫項(xiàng)目。
另一家公司，國氫科技旗下的長春綠動也在7月中旬推出了200標(biāo)方的PEM制氫系統(tǒng)，該“兆瓦級高性能質(zhì)子交換膜電解制氫裝備”采用集成式制氫產(chǎn)品，由多個(gè)電解槽組合而成。
目前，完成運(yùn)行測試的兆瓦級PEM電解制氫裝備已交付“吉林長春中韓示范區(qū)可再生能源制氫加氫一體化項(xiàng)目”綠氫示范項(xiàng)目使用，該裝備的研發(fā)將加快推進(jìn)PEM制氫研發(fā)制造基地建設(shè)與產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，助力國家電投在“綠電一綠氫一綠氨”協(xié)同消納示范應(yīng)用等方面的優(yōu)勢。
整體來看，我國PEM制氫企業(yè)布局中更多聚焦在小型電解槽的生產(chǎn)，這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于氫健康領(lǐng)域。近年來，中船718所、賽克賽斯氫能、陽光氫能、長春綠動等多家國內(nèi)企業(yè)所公布的PEM電解制氫系統(tǒng)的制氫規(guī)模突破200標(biāo)方，不斷向大型PEM制氫裝備的方向突破。
值得一提的是，目前國內(nèi)多個(gè)公開的兆瓦級PEM電解水制氫項(xiàng)目的制氫系統(tǒng)所用的并非單電解槽，而是多個(gè)電解槽組合而成，國內(nèi)鮮少有企業(yè)具備200標(biāo)方PEM單電解槽的制造能力，無論是技術(shù)還是經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)企業(yè)與國外相比還有較大的差距。
現(xiàn)階段，國際上具備PEM電解槽設(shè)計(jì)和制造能力的企業(yè)不少，Nel、西門子和康明斯都其中的佼佼者。以Nel公司為例，其歷史可以追溯到1927年，公司主要從事氫電解槽制造與加氫站業(yè)務(wù)，是全球最大的氫電解槽供應(yīng)商、加氫站供應(yīng)商。
收購Proton Onsite之后，NEL公司PEM電解水制氫設(shè)備涵蓋了從1.05Nm?/h到5000 Nm?/h的各種規(guī)格型號產(chǎn)品，其目前成熟應(yīng)用的PEM單電解槽制氫能力可達(dá)250Nm?/h。其推出了便于戶外使用的集裝箱式PEM電解槽產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、運(yùn)輸和可再生能源制氫等場景。
大標(biāo)方PEM電解槽的產(chǎn)業(yè)化瓶頸待解
現(xiàn)階段，只有達(dá)到兆瓦級的PEM電解水制氫項(xiàng)目才會用上200標(biāo)方以上的PEM制氫系統(tǒng)，但是由于 PEM電解水制氫設(shè)備價(jià)格過于昂貴，目前大規(guī)模電解水制氫市場基本被堿性電解水制氫設(shè)備占據(jù)。
目前國內(nèi)市場成熟應(yīng)用的堿性電解水制氫設(shè)備制氫能力已經(jīng)突破到1000標(biāo)方以上，價(jià)格也從100萬～1000余萬元不等，其中1000標(biāo)方的堿性電解水制氫設(shè)備價(jià)格大約在1000萬元左右。而具備同樣制氫能力的PEM電解水制氫設(shè)備的價(jià)格則是堿性電解水制氫設(shè)備的4倍以上。
成本高、價(jià)格貴是影響大標(biāo)方PEM電解水制氫設(shè)備的市場應(yīng)用擴(kuò)張的主要因素，其主要瓶頸體現(xiàn)在PEM電解槽的核心材料方面。
以PEM電解水制氫所需的膜電極為例，雖然與氫燃料電池所用膜電極的名字相同、原理接近，但兩者之間仍存在明顯的材料和技術(shù)難度差異。
一是所用質(zhì)子膜的厚度、溶脹率不同。燃料電池質(zhì)子膜厚度只有8-10微米，溶脹率較低，因此在連續(xù)卷對卷涂布時(shí)相對容易，質(zhì)子膜不易出現(xiàn)變形;而電解水制氫所用的質(zhì)子膜多采用115、117型號的均質(zhì)膜，厚度在150-200微米之間，相對較厚，溶脹率較高，因此在涂布時(shí)，質(zhì)子膜可能會出現(xiàn)溶脹、變形等情況。因此，電解水膜電極的涂布設(shè)備需要特殊的設(shè)計(jì)，不能直接利用燃料電池膜電極的涂布裝備。
二是所用的催化劑及催化劑沉降情況不同。燃料電池膜電極使用的催化劑為鉑碳，比重小不易在漿料中出現(xiàn)沉降現(xiàn)象;水電解所用催化劑為氧化銥，比重大且沒有載體，因此在制作漿料過程中易出現(xiàn)聚集及沉降現(xiàn)象。
當(dāng)PEM電解槽往更大標(biāo)方的方向拓展時(shí)，所面臨的材料和制造工藝難題就會成倍增加。
“單電解槽往更高功率密度的方向發(fā)展，水熱管理、流場管理和密封都是較大的挑戰(zhàn)，也大大提高了在制造工藝方面的要求。” 竺炯操表示，就膜電極來說，與大標(biāo)方PEM電解槽相適配的膜電極尺寸明顯變大，這對膜電極的涂布是極大的考驗(yàn)。表面積成倍的增加，不是簡單的調(diào)整設(shè)備參數(shù)就能解決的，如何保證生產(chǎn)的一致性和穩(wěn)定性，需要對生產(chǎn)設(shè)備和工藝有足夠深刻的理解。
好消息是，中國的PEM電解水制氫設(shè)備企業(yè)們正在跑步追趕。高工氫電獲悉，國內(nèi)的某PEM電解水制氫設(shè)備企業(yè)近期已經(jīng)研發(fā)出了150標(biāo)方PEM單電解槽，由這樣2個(gè)150標(biāo)方的電解槽所組成的300標(biāo)方PEM制氫系統(tǒng)已經(jīng)交付客戶驗(yàn)證中。
