一、堿性制氫技術(shù)簡(jiǎn)介

目前已經(jīng)實(shí)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(duì)齊全，成本相對(duì)更低。

堿性電解水制氫就是指在堿性電解質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行電解水制氫的過(guò)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(guò)程中，陽(yáng)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(yīng)具備以下要求：

• 保證氫氣和氧氣分子不能通過(guò)隔膜，但允許電解液離子通過(guò)；
• 能夠耐高濃度堿液的腐蝕；
• 具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠長(zhǎng)時(shí)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(xué)穩(wěn)定；
• 原料易得、無(wú)毒、無(wú)污染，廢棄物易處理。

另外，隔膜出廠(chǎng)供貨時(shí)會(huì)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(yīng)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(yīng)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(bǔ)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(yīng)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(yīng)用主流；第三代是復(fù)合隔膜，正在興起，行業(yè)普遍認(rèn)為是未來(lái)趨勢(shì)。

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(diǎn)是親水性能極佳，還能夠抑止氫氧根離子的反向擴(kuò)散，非常好地滿(mǎn)足堿性水電解隔膜的性能要求。

但是，石棉是一級(jí)致癌物，這一點(diǎn)導(dǎo)致它徹底退出制氫市場(chǎng)。截至2019年，包括中國(guó)在內(nèi)的66個(gè)國(guó)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(méi)有缺點(diǎn)，其在高電流負(fù)荷下，會(huì)在堿性電解液中嚴(yán)重溶脹。這時(shí)，隔膜的力學(xué)強(qiáng)度就會(huì)下降，使用壽命會(huì)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(dāng)電解液溫度超過(guò) 90°C時(shí)，?石棉隔膜的腐蝕加劇，?從而對(duì)電解液造成污染，?影響其使用壽命，?所以很難通過(guò)提高溶液溫度的方法來(lái)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(guò)機(jī)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(lái)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(zhǎng)絲兩條生產(chǎn)路線(xiàn)。據(jù)行業(yè)人介紹，目前東麗的是長(zhǎng)絲，國(guó)內(nèi)大部分廠(chǎng)商是短纖維。

同樣，PPS隔膜也不是完美的，它的缺點(diǎn)在于親水性太弱。親水性不好，會(huì)導(dǎo)致隔膜布不能被電解液充分潤(rùn)濕，隔膜的離子通過(guò)性變差，進(jìn)一步地，隔膜電阻大，最終使得電解槽電解效率低，極大浪費(fèi)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(yáng)科吉

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前做PPS隔膜布的廠(chǎng)家有：

• 東麗纖維研究所（中國(guó)）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(yáng)科吉高新材料有限責(zé)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(fù)合隔膜

前面提到，PPS隔膜會(huì)有親水性不好的問(wèn)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(fù)合隔膜。

換句話(huà)來(lái)理解，復(fù)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(huì)采用聚砜、聚醚醚酮薄膜。

據(jù)了解，堿性制氫復(fù)合隔膜目前做得最好的是比利時(shí)AGFA愛(ài)發(fā)克，但售賣(mài)價(jià)格并不便宜，國(guó)內(nèi)也不太好賣(mài)得到愛(ài)發(fā)克的復(fù)合隔膜。而國(guó)產(chǎn)復(fù)合隔膜正在導(dǎo)入應(yīng)用，涂層脫落、使用壽命短等不良問(wèn)題仍需攻克。

碳能科技制氫復(fù)合隔膜

刻沃刻K300和K500量產(chǎn)型復(fù)合隔膜

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前堿性制氫復(fù)合隔膜的供應(yīng)商主要有：

• 比利時(shí)AGFA愛(ài)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(shí)代科技有限公司

四、結(jié)語(yǔ)

2022年，中國(guó)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(chǎng)數(shù)據(jù)，多家第三方機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2030年，國(guó)內(nèi)制氫隔膜市場(chǎng)規(guī)模將超200億元。

可見(jiàn)堿性制氫隔膜的市場(chǎng)非常有前景，相應(yīng)的，堿性制氫電解槽廠(chǎng)商也有更多的發(fā)展機(jī)會(huì)，如：考克利爾競(jìng)立、天津大陸制氫、中船(邯鄲)派瑞氫能、揚(yáng)州中電制氫、蘇州綠萌氫能、中電豐業(yè)、國(guó)富氫能、深圳瑞麟科技、陽(yáng)光氫能、隆基氫能、凱豪達(dá)、希倍優(yōu)、溫州高企氫能、湖南氫氫松松、奧揚(yáng)科技、天合元?dú)?、明?yáng)智能、上海氫器時(shí)代等等。

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