电解槽技术迭代升级之际，关键零部件技术仍需突破
2020年以来国内电解槽生产制造技术快速进步，单槽制氢量及制氢能耗水平等都有了较大提升，但在进一步性能提高及零部件优化等方面仍然存在较多提升空间。碱性电解槽方面，其零部件已基本实现全部国产化，其研发及竞争重点正由大标方装备的组装生产迈向催化剂、隔膜等关键零部件的优化；PEM电解槽方面，则在国产质子交换膜、气体扩散层等零部件产品质量上还存在不足，仍需从原材料、生产工艺等方面进行更多突破。
下面，能景研究结合各材料零部件的生产工艺及技术，分析其优化方案及突破点所在，以供行业参考。
【资料图】
01碱槽复合隔膜：结构设计与合成方案是重点
复合隔膜引入无机化合物提高了隔膜的亲水性与电导率。当前国内主流应用的PPS编织膜机械强度高、酸碱耐受性强，但是由于其疏水特性导致其不易传导电解质离子，电阻过大，提高了电解槽能耗。将亲水纳米ZrO2等无机颗粒引入疏水性有机隔膜后可提高隔膜的亲水性，从而降低电阻，降低制氢能耗。复合隔膜结构设计与合成工艺方案决定了隔膜的稳定性。从公开的专利、论文来看，复合隔膜的合成步骤为向有机组分溶液（或熔融态有机组分）中加入无机纳米颗粒，然后共混制膜，总体上相对简单。但无机纳米颗粒与有机组分之间的结合作用较弱，容易发生脱离，因此需要开发新的无机/有机复合工艺，以及对有机组分和无机组分的微观结构进行调整，以提高两者结合强度。
降低厚度、提高电导率是复合隔膜的重点发展方向。国际产品（Zirfon膜）厚度最低可降到0.2 mm，国内尚在0.5 mm左右水平，其电阻率相差近3到4倍。但降低厚度面临膜机械强度降低等难题，加上无机纳米颗粒脱落将会给电解槽运行带来安全风险，给工艺及隔膜结构设计带来了挑战。
02新型催化剂：量产技术及稳定性是研究重心
规模化生产技术决定新型催化剂应用潜力。根据文献总结，目前各类新型催化剂合成方法大类不低于15种，按合成条件分包括固、液、气等多种方案，而且其中许多催化剂还需经过多相态步骤的复杂处理工艺。然而目前实际上规模化应用的主要为液相还原方案，还需要反应条件温和可控。某些实验室或专利中小批量的合成方法在工艺放大时会面临产品不均匀，性能不达预期等问题。稳定性突破是新型催化剂推广应用的基本条件。铂碳催化剂已经过了多年规模化生产及应用，性能及稳定性得到了验证；而其他采用了合金化、碳基底改性等方案的新型催化剂，虽然在降低过电位以及降低贵金属含量等方面已经超过了铂碳，但同时面临结构失效、性能衰退等稳定性差的困扰。如何解决高稳定性与高性能之间的矛盾是目前新型催化剂研究的关键。低成本生产及合成方案是新型催化剂的研究重点。虽然部分新型催化剂可以同时做到高催化性能、较高稳定性、低贵金属含量同时具备，但其生产成本仍然阻碍其实际应用。以某类PtCo催化剂为例，为控制其纳米尺寸、成分均匀性等，需使用较高成本的油胺等油相溶剂；而核壳结构等新型微观结构设计，则合成步骤及工艺参数相较铂碳更加复杂，产量、成本等需综合考量。
03质子交换膜：原料生产及成膜工艺是产品质量突破核心
树脂原料是质子交换膜质量的基础。全氟磺酸树脂由PSVE等含磺酸基的化合物与三氟乙醇合成单体，之后再与全氟乙烯或全氟丙烯等共聚合成。其中PSVE生产过程要深度除水产生氢化的PSVE副产物降低树脂材料强度等，此外还需研简化或低成本的合成技术；全氟磺酸树脂则重在配方及合成条件控制以保障内部结构均一及离子电导率等物理性能，需对物料比例、聚合方法、聚合引发剂、分散剂等进行综合优化。成膜技术路径关系到膜产品最终质量。全氟磺酸质子交换膜的成型工艺包括挤出成型法与溶液成膜法两大类，其中挤出成型法设备简单，成膜厚度均匀、质量稳定，但对树脂原料内部强度均一性、工艺温度控制等要求较高，攻克难度相对较大。溶液成膜法中工业上主要采用流延成型方案，对树脂原料的质量等要求相对较低，过程中将全氟磺酸树脂溶液或溶胶均匀涂敷在移动钢带上，经加热干燥后剥离成膜，但在干燥温度、厚度控制、产品均匀性保障等方面需精细调控。
04碳纸：短切纤维原材料及生产工艺需重点突破
碳纸质量依赖于工艺流程的整体优化程度。以最常用的湿法工艺为例，碳纸生产从短切碳纤维开始，经过造纸、碳化及石墨化共3大步骤，用于燃料电池的气体扩散层还需要经过附着疏水层处理。各大步骤下还包括数个细节步骤，每一步骤细节都对最终碳纸产品的性能有较大影响，如抄纸时的浆液浓度影响碳纸的孔隙率、均一性等，因此碳纸生产需进行全方位的统筹优化。
短切碳纤维是决定碳纸质量的基础。短切碳纤维是由连续碳纤维使用集束剂集束后，短切到2~18 mm制成的碳纤维材料。其生产过程中表面处理工艺、集束剂选择等关系到后续造纸过程中的分散性、与树脂材料的结合强度等，决定了产出的原纸及最终碳纸的厚度均匀性、孔隙率等关键性能参数。原纸是左右碳纸质量的关键环节。原纸作为最终碳化与石墨化步骤的原材料，可以说其成纸质量已经决定了最终碳纸的质量。原纸生产包括抄纸、树脂浸渍固化两个环节，其中抄纸环节难度较高，需解决碳纤维疏水的难题以保障成纸均匀等，要研究合适的碳纤维活化工艺、分散剂、胶黏剂等多种因素；树脂浸渍环节需对树脂种类（酚醛树脂等）、含量、固化压力温度等进行研究甄选，以保证最终碳化后的碳纸强度、导电性等。
05小结
国内电解槽在向新技术路径拓展时离不开关键零部件的进一步突破，主要包括材料及生产工艺两大方面。其中工艺难题最多，需依靠经验及数据积累进行优化；材料类的突破离不开生产工艺优化的同时，同样离不开微观结构设计等方面的科研创新。
来源：能景研究
作者：云龙
