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碱性电解水制氢的瓶颈:复合隔膜材料

日期:2023-12-21    来源:绿创碳和

国际氢能网

2023
12/21
14:18
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关键词: 碱性电解水制氢 复合隔膜材料 绿氢产业

绿氢困在电解槽里,电解槽又困在了隔膜里。

中国现行制氢工艺中使用隔膜,主要是聚苯硫醚(PPS)织物为基底的特种工程塑料。PPS的弊端则是亲水性太弱,将其作为隔膜会导致电解槽内阻过大、降低制氢效率。受限于抗碱性和耐高温指标,也就PPS合适。

国内电解槽厂商其实并不掌握隔膜的工艺,基本上都是首选日本东丽的PPS膜,目前的价格在每平米400元左右。

碱性制氢需要用隔膜将产出氢气和氧气分隔开,隔膜性能直接关系到氢气纯度和制氢电耗。

目前国内碱性电解槽市场95%以上应用PPS隔膜。

PPS复合隔膜气密性优良、能耗低,已成为碱性制氢隔膜发展方向。目前国内头部PPS复合隔膜厂商已有配套1000标方电解槽案例,但市场占比与PPS隔膜相比仍有较大差距,大规模应用还需时间验证。目前国内使用PPS隔膜多采用进口,价格约400-600元/平米,与国产厂商相差不大。国产PPS复合隔膜具备明显价格优势,但产品验证相对不足,涂层脱落及寿命短等问题仍需攻克。

经过几十年的发展,目前在全球范围内,“碱性电解水制氢隔膜材料”已发展到第三代,但由于种种原因,第三代隔膜在产能上大幅受限,同时,国外公司在价格上针对国内企业也有“特殊定价”。

欧美公司几乎掌握了制氢复合隔膜材料所有的技术,并控制了整个产业链的话语权,国内的企业只能依赖进口的技术和产品。

这一领域被欧洲材料科技巨头爱克发(Agfa)垄断。该公司生产的复合隔膜,凭借耐用性和持续的高生产率,受到了电解槽制造商和制氢项目的青睐,占据了全球碱性隔膜95%以上的市场份额。

无奈的是爱克发隔膜根本没有在国内架设销售渠道,之前过于小众,需求低,大多是代理零散进口,面对海量国内订单,爱克发只能说“NO”。

业内知情人士介绍道:“产能几乎达到极限,订单几乎全部被海外用户扫清,现在立刻增加产能,不可能做得到。”一膜难求”的局面,困扰着产业链上的所有企业。

2022年氢能需求集中爆发,可笑的是由于使用的电解槽和隔膜材料不合格,制出的氢纯度不够,导致了不少“炸槽”事件发生。

说到底就是国产PPS膜和进口隔膜的质量相差大,很难让电解槽能在正常工况下运行,一些新进入的厂商为了快上马,对生产设备采购选品把关不严,造成所谓“炸槽”,使监管部门对于制氢“深恶痛绝”。

“炸槽”事故,原因之一就是国产复合隔膜耐不住高温和浓碱,导致涂层开裂脱落,隔离作用失效,槽内气体达到了爆炸极限。“涂层开裂脱落,说到底就是产品质量有问题。”

物理学上解释:氢气在氧气中的爆炸极限是4.1%-74.2%,由于水电解产生的氢氧分子不对等,在动态条件下,隔膜两边会因产气出现压力失衡的现象,很容易让氢分子穿透隔膜与氧气混合,极其危险。

因此安全考虑氧中氢值必须控制在4%以下,国内部分隔膜制造商的思路是参照爱克发,往具有优异气体阻隔性的复合隔膜方向,在物理上解决氢气渗漏问题,从而给予电解槽适应风电、光伏这类波动性能源的能力。

复合隔膜是由聚合物树脂、复合金属无机物等组成的多孔膜,特点是表面致密、内部多孔、隔气性强,具有永久亲水性和较强的吸碱能力。即使是作为全球最大的PPS生产商东丽,也已经开始转攻复合隔膜。

国内各主要制氢龙头均有意尝试采用复合隔膜,替代趋势已非常明朗。

放眼当下,但国内研制复合隔膜的企业掐指一算也不超过五家,严重依赖进口PPS的局面没有得到根本改观。

2022年,中国电解槽出货量在800MW左右,绝大部分都是碱性制氢。险峰(K2VC)投资团队算过一笔账,一台1000标方的电解槽要用大约1200平米的隔膜,以“5MW=1台1000标方=800吨/年”的产能计算,现阶段国内复合隔膜的市场规模约在1.6亿左右。

2030年中国电解槽装机量可以达到100GW,以此测算,届时国内复合隔膜市场规模在200亿以上,相当于10年会有百倍的增长。

或许是预见了碱性电解水制氢市场在中国即将爆发,爱克发正计划通过代理渠道进入中国市场,已经和隆基氢能等电解槽厂家洽谈合作。

即便如此,从市场竞争的格局来看,国产复合隔膜相比于爱克发,优势在于价格。“在中国市场任何行业的技术空白,只要没有国产化的东西,从国外进口都会以十倍甚至百倍的价格引进到用户手中。”

业内普遍认为在国产替代大环境下,“复合隔膜的国产替代”是一个属于中国科技公司的大好机会,首先它的需求是非常确定的,只要能做出来就能卖得掉,此外壁垒足够高,可以在一个较长的时间内享受到技术红利带来的高溢价。

此外,未来国内市场虽然对复合隔膜的需求会起量,但摆在国产隔膜厂商的另一大挑战则是自建产线。

复合隔膜生产线与常规的涂布隔膜生产线有很多不同,这对于当下复合隔膜研发厂商是一个很大的挑战,原因是这个复合隔膜的浆料体系及成型方式的控制困难度很大,市面上现有的涂布机包括输送系统都无法使用。

截至目前,国产复合隔膜只有不到5家企业在研制。谁能够把复合隔膜生产出来,谁就能率先打开百亿电解槽市场。

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