一、堿性制氫技術(shù)簡介

目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的電解水制氫技術(shù)主要有兩種，分別是堿性水電解（ALK）和質(zhì)子交換膜電解（PEM）。

其中堿性電解水制氫商業(yè)化更為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈配套相對齊全，成本相對更低。

堿性電解水制氫就是指在堿性電解質(zhì)環(huán)境下進行電解水制氫的過程，電解質(zhì)一般為30%質(zhì)量濃度的KOH溶液或者26%質(zhì)量濃度的NaOH溶液。

堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括堿性制氫電解槽主體和BOP輔助系統(tǒng)。而堿性制氫電解槽主體是由端壓板、密封墊、極板、電極、隔膜等零部件組裝而成。

堿性制氫電解槽結(jié)構(gòu)示意圖

二、堿性制氫隔膜的作用及性能要求

堿性電解槽在電解過程中，陽極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣，隔膜的主要作用就是阻止氫氣和氧氣混合。

適用于堿性電解槽的隔膜應具備以下要求：

• 保證氫氣和氧氣分子不能通過隔膜，但允許電解液離子通過；
• 能夠耐高濃度堿液的腐蝕；
• 具有較好的機械強度，能夠長時間承受電解液和生成氣體的沖擊，隔膜結(jié)構(gòu)不被破壞；
• 為了降低電能損耗，隔膜必須要有較小的面電阻，因此隔膜孔隙率要盡可能高；
• 在電解溫度和堿液條件下隔膜能夠保持化學穩(wěn)定；
• 原料易得、無毒、無污染，廢棄物易處理。

另外，隔膜出廠供貨時會有一些技術(shù)要求，如：

• 隔膜不得有破孔、褶皺以及針刺缺陷；
• 隔膜表面應平整，不允許有缺經(jīng)、缺緯、斷經(jīng)、斷緯、橫檔稀檔)、吊邊疵布邊缺肉)、粗經(jīng)、粗緯、雙緯、跳花、布邊緊抽等織造缺陷；
• 表面應潔凈，不允許粘有油污、銹漬及其它雜物；
• 不允許出現(xiàn)人工修補的現(xiàn)象。

   

堿性制氫電解槽，瑞麟科技

三、堿性制氫隔膜發(fā)展史及供應商

堿性制氫隔膜經(jīng)歷了三代發(fā)展，第一代是石棉隔膜，現(xiàn)已被淘汰；第二代是PPS隔膜，是目前應用主流；第三代是復合隔膜，正在興起，行業(yè)普遍認為是未來趨勢。

1、石棉隔膜（已被淘汰）

最早的堿性制氫隔膜是用石棉纖維做的，其主要成分是水合硅酸鎂，優(yōu)點是親水性能極佳，還能夠抑止氫氧根離子的反向擴散，非常好地滿足堿性水電解隔膜的性能要求。

但是，石棉是一級致癌物，這一點導致它徹底退出制氫市場。截至2019年，包括中國在內(nèi)的66個國家已全面禁止使用石棉以及相關(guān)的產(chǎn)品。

除此之外，石棉隔膜也并非沒有缺點，其在高電流負荷下，會在堿性電解液中嚴重溶脹。這時，隔膜的力學強度就會下降，使用壽命會縮短，電流效率也明顯衰退。

而且，由于石棉材料的限制，?電解液溫度須控制在 90?°C以下，?當電解液溫度超過 90°C時，?石棉隔膜的腐蝕加劇，?從而對電解液造成污染，?影響其使用壽命，?所以很難通過提高溶液溫度的方法來提高電解槽的效率。

石棉，圖源自網(wǎng)絡(luò)

2、PPS隔膜

PPS隔膜，又叫PPS織物隔膜，是PPS纖維經(jīng)過機織、水刺等工藝制備而成的隔膜布。PPS（聚苯硫醚）是一種高性能的特種工程塑料，能在堿液條件和高溫條件下保持性能穩(wěn)定，因此被用來制備堿性制氫隔膜。

在制備工藝方面，PPS隔膜有分短纖維和長絲兩條生產(chǎn)路線。據(jù)行業(yè)人介紹，目前東麗的是長絲，國內(nèi)大部分廠商是短纖維。

同樣，PPS隔膜也不是完美的，它的缺點在于親水性太弱。親水性不好，會導致隔膜布不能被電解液充分潤濕，隔膜的離子通過性變差，進一步地，隔膜電阻大，最終使得電解槽電解效率低，極大浪費了電力能源。

堿性制氫隔膜，天津凱瑞

親水型PPS隔膜，天津津綸

PPS制氫隔膜，德陽科吉

據(jù)統(tǒng)計，目前做PPS隔膜布的廠家有：

• 東麗纖維研究所（中國）有限公司
• 天津凱瑞科技有限公司
• 天津津綸新材料科技有限公司
• 浙江正本新材料有限公司
• 紹興超然紡織有限公司
• 蘇州納磐新材料科技有限公司
• 德陽科吉高新材料有限責任公司
• 四川中科興業(yè)高新材料有限公司
• 海寧昱品環(huán)保材料有限公司

3、復合隔膜

前面提到，PPS隔膜會有親水性不好的問題，那么，改善它的親水性，比如在PPS布的基礎(chǔ)上涂覆氧化鋯等陶瓷涂層，就是第三代復合隔膜。

換句話來理解，復合隔膜=聚合物基底+陶瓷涂層。其中，基底一般采用PPS網(wǎng)布，少數(shù)會采用聚砜、聚醚醚酮薄膜。

據(jù)了解，堿性制氫復合隔膜目前做得最好的是比利時AGFA愛發(fā)克，但售賣價格并不便宜，國內(nèi)也不太好賣得到愛發(fā)克的復合隔膜。而國產(chǎn)復合隔膜正在導入應用，涂層脫落、使用壽命短等不良問題仍需攻克。

碳能科技制氫復合隔膜

刻沃刻K300和K500量產(chǎn)型復合隔膜

據(jù)統(tǒng)計，目前堿性制氫復合隔膜的供應商主要有：

• 比利時AGFA愛發(fā)克（Zirfon）
• 碳能科技（北京）有限公司
• 深圳通微新能源科技有限公司
• 中山市刻沃刻科技有限公司
• 寧波中科氫易膜科技有限公司
• 睿得新材料科技（常州）有限公司
• 深圳市氫年時代科技有限公司

四、結(jié)語

2022年，中國電解槽出貨量在800MW左右，絕大部分都是堿性制氫。基于以往市場數(shù)據(jù)，多家第三方機構(gòu)預測，到2030年，國內(nèi)制氫隔膜市場規(guī)模將超200億元。

可見堿性制氫隔膜的市場非常有前景，相應的，堿性制氫電解槽廠商也有更多的發(fā)展機會，如：考克利爾競立、天津大陸制氫、中船(邯鄲)派瑞氫能、揚州中電制氫、蘇州綠萌氫能、中電豐業(yè)、國富氫能、深圳瑞麟科技、陽光氫能、隆基氫能、凱豪達、希倍優(yōu)、溫州高企氫能、湖南氫氫松松、奧揚科技、天合元氫、明陽智能、上海氫器時代等等。

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