燃料电池电堆企业开发PEM电解槽“起风”

在碱水制氢（AWE）、PEM制氢和SOEC制氢三大技术路线中，PEM制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高，适应可再生能源发电的波动性特征、易于与可再生能源消纳相结合，被认为是电解水制氢的适宜方案。随着可再生能源制氢项目的增多，今年国内电解水制氢设备需求出现井喷，PEM制氢进展迅速。中国船舶718所、中科院大化所、山东赛克赛斯、高成绿能、淳华氢能、深圳绿航等多家公司在PEM制氢设备方面的订单同比都有不同程度的增长。PEM电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等，结构与燃料电池电堆类似，只是材料体系不同。在PEM制氢设备市场机遇凸显的形势下，当前已有少数PEM燃料电池电堆企业开始入局研发PEM电解槽，膜电极及双极板企业也在跟进中，这在未来会成为普遍现象吗？

（来源：微信公众号“高工氢电” ID：weixin-gg-fcev 作者：游保平）

技术门槛颇高

PEM电解水与PEM燃料电池互为逆反应，前者是电解水制氢，后者是氢氧反应生成水。PEM电解槽的结构与PEM燃料电池电堆类似，但PEM电解槽的材料体系与电堆相比有很大的差别，要真正做好PEM电解槽产品不容易。淳化氢能副总经理李俊荣表示：“由于工作环境的差异，PEM电解槽对核心部件和材料耐久性和寿命的要求更高。要做好PEM电解槽，需要对催化剂和膜电极材料有较深的理解，并且需要做好电解槽的密封。”电催化剂方面，PEM电解槽的电催化剂研究主要是Ir、Ru等贵金属/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物，以钛材料为载体的负载型催化剂，非贵金属催化剂或非金属催化剂的研发难度较大。膜电极方面，PEM电解水的阳极需要耐酸性环境腐蚀、耐高电位腐蚀，应具有合适的孔洞结构以便气体和水通过。PEM燃料电池中常用的膜电极材料（如碳材料）无法用于水电解阳极。为此，3M公司研发了纳米结构薄膜（NSTF）电极，阴阳两极分别采用Ir、Pt催化剂，载量均为0.25mg/c㎡。双极板方面，在PEM电解槽阳极严苛的工作环境下，若双极板被腐蚀将会导致金属离子浸出，进而污染PEM，因此常用的双极板保护措施是在表面制备一层防腐涂层，其耐腐蚀要求比PEM燃料电池更高。

实力企业着手布局

正因为技术难度大，在PEM电解槽市场需求明显提升的背景下，当前有研发跟进PEM电解槽及核心部件产品的也仅是个别头部电堆、膜电极及双极板企业，另外还有一些综合实力强的国企及上市公司也开始了针对PEM电解水制氢装备的技术研究与产业布局。作为国内膜电极头部企业，鸿基创能全资子公司鸿基创能科技（佛山）有限公司于今年5月与佛山市南海区人民政府正式签署关于燃料电池高性能膜电极产业化项目的《投资合作协议》。该项目计划投资1亿元，建设燃料电池膜电极和PEM电解水制氢膜电极产业化基地。PEM电解水制氢膜电极是鸿基创能的新项目，今年内将完成中试，并在南海基地实现量产。国内金属双极板龙头企业上海治臻在6月举行的FCVC2021上展示了PEM电解槽双极板样品，在寻求国内PEM电解槽企业合作。此外，光伏巨头之一阳光电源在今年3月推出国内首款最大功率250kW的SEP50 PEM制氢电解槽。该PEM制氢电解槽核心部件均为国产。为了配合市场需求，阳光电源已开始规划建设全自动化电解槽组装生产线。上海电气电站集团也于今年3月与中国科学院大连化学物理研究所揭牌成立PEM电解水制氢技术研发中心，签订了“兆瓦级模块化高效PEM电解水制氢装备及系统开发”项目合作协议。

吉电股份近日在投资者互动平台表示，长春氢能产业基地的先导项目为PEM电解制氢装备研发、制造项目；威孚高科也公开表示，公司将PEM电解水制氢系统业务规划纳入拟成立的氢能事业部业务范围。

现阶段国内外市场格局

在更多的企业选择进入PEM电解水制氢装备领域前，有必要先深入了解现有PEM电解水制氢装备的市场格局及技术水平，以规避风险。据悉，国际上纯水制氢设备的商业化进程早在20年前就已经开启，NEL-Proton、SIEMENS、ITM Power、Hydrogenics等公司几乎囊括了世界范围内的PEM电解制氢设备市场。过去10年间，全球加速推进可再生能源PEM电解水制氢示范项目建设，示范项目数量和单体规模呈现逐年扩大的趋势，目前PEM水电解制氢已迈入10 MW级别示范应用阶段。具体来看，NEL-Proton PEM水电解制氢装置的部署量超过2000套（分布于72个国家和地区），拥有全球PEM水电解制氢70%的市场份额，具备集成10MW以上制氢系统的能力；收购了Hydrogenics的康明斯在今年5月宣布，计划投资5000万欧元在西班牙投建500MW /年的PEM电解槽工厂，用于生产绿氢。在国内，聚焦PEM水电解制氢设备的公司及科研机构主要有中国船舶718所、中科院大化所、山东赛克赛斯、高成绿能、淳华氢能、深圳绿航等。718所上半年在国内电解水制氢设备领域的市场占有率颇高，当前以碱水制氢为主，其客户包括壳牌、国家能源、协鑫、宝武清能等。现阶段718所正在重点发力PEM电解水制氢，其已扩容新建2大厂房，其中PEM电解水制氢设备年产能120台/套。“目前公司已经交付的PEM电解水设备订单都是小型的电解槽。”718所技术部部长刘晓峰告诉高工氢电，公司已经交付的PEM电解槽都在20m3以下，今年上半年接到4台50m3PEM电堆槽订单预计将在9月底前交付。山东赛克赛斯上半年电解水制氢设备的销售额已达4000万元，小型PEM电解水制氢装置销量达1500台；大型设备订单持续不断，包括出口伊朗。“今年到现在一直没闲着，订单非常火爆，PEM电解水制氢设备有一个月的时间甚至供不应求。”该公司工程部总监侯力军表示。在绿氢发展呼声高涨背景下，电解水制氢正迎来新一轮发展机遇，预计未来对大型PEM电解水制氢设备需求将进一步增加。

国内上述企业目前在小型PEM电解水制氢设备上已经有不错的收获，但针对大型PEM电解水制氢技术上还有较大的提升空间。这对于新入局者而言，无疑是挑战与机遇并存。