一文看懂:碱性电解槽及核心零部件产业链!

日期: 2024-06-22 13:59:24|浏览: 32|编号: 75668

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一文看懂:碱性电解槽及核心零部件产业链!

2022年全球电解器市场规模将扩大,水电解制氢设备领域将成为市场趋势!

在电解槽技术上,产​​业链配套齐全、成本低廉的碱性电解槽成为现阶段电解水制氢的主角,也是众多电解槽企业的“宠儿”。

1. 碱性水电解制氢原理

碱性水电解制氢的基本原理是,在直流电的作用下,水分子会在电解池的两个电极上发生氧化还原反应:在电解池中,水分子在阴极被还原生成氢气和氢氧离子(HER),生成的氢氧离子穿过物理隔膜到达阳极,在阳极失去电子释放氧气生成氧气和水。工业上常用30%KOH溶液或26%NaOH溶液作为电解池工作的电解质。

实际制氢系统运行时,氢气/氧气与碱溶液的混合气经气水分离器分离,碱溶液进行回流,气体进入净化装置进行净化后收集。

2. 碱性水电解制氢行业最新趋势

越来越多的企业加入碱性电解槽行业,在广阔的市场和激烈的竞争下,参与的企业除了不断扩大电解槽产能外,早已打响了向高产氢、低能耗、快速响应等技术升级的攻坚战。

第一是产氢量高,目前市场规划项目需求量在万吨/年以上,设备投资和场地要求很高,单罐制氢设备成本比购买多套同等产量的设备要低,提高单机产氢量就能满足市场需求,国内碱性水电解制氢设备正快速走向规模化招标。

2022年³/h碱性电解槽产品已趋于成熟,300Nm³/h产品开始上市,代表性事件有去年10月明阳智能全球首发/h碱性水电解制氢设备,12月派瑞氢能推出单台2000立方制氢设备。

第二是降低能耗。能耗是电解槽商业化、规模化必须考虑的核心指标之一,包括碱性电解槽的直流电耗(约占90%)和电源的损耗。目前行业普遍电耗水平为4.5-4.6kWh/Nm³。尽力降低电解槽直流电耗是电解槽技术升级的重要方向。

近日,隆基氢能发布新一代碱性水电解制氢设备ALK Hi1系列产品,最低电耗4.0kWh/Nm³,直流能耗降低10%以上,成为新品最大亮点。而去年3月,电解槽“新人”隆基氢能松下的500立方米/小时碱性水电解制氢设备,公布直流电耗为3.8度/标立方米。

三是响应快。电力来源由稳定的市电向波动性较大的新能源转变,要求电解槽具备几分钟的启动时间和更快的响应速度。目前碱性电解槽几十分钟的冷启动响应和功率波动,不利于适应可再生能源制氢场景。“快”成为碱性电解槽厂家追求的集体目标。

3. 碱性水电解制氢产业链分析

碱性水电解制氢系统的核心是碱性电解槽本体,包括板片及框架、隔膜、电极、BOP辅助系统等。

碱性水电解制氢工艺流程一般包括气液分离、气体净化、碱溶液回收等几个主要环节,具体流程如下图所示。

1.碱性电解槽本体

碱性电解池是由大量电解室所组成,其结构如下图所示:

目前,已有数十家各领域企业针对碱性电解器展开相关布局,其中既有在该领域深耕数年的老牌氢能企业,也有华能集团、华电集团等传统能源行业的新锐企业,代表性企业如下图所示:

1.1 电极

电极是发生电化学反应的场所,也是决定电解槽产氢效率的关键。

目前电解池所用的电极多为Ni基电极,如Ni网、泡沫镍等。Ni网是用40~60目镍丝网剪成圆形制成,Ni丝直径约200微米,价格低廉,耐酸、碱、高温;而泡沫镍电极材料充满微孔,比表面积大,价格低廉,产品成熟。

通常在电极表面涂覆涂层催化剂以提高电解效率。目前广泛使用的催化剂主要分为高活性Ni基催化剂(雷尼Ni、活化NiS、Ni-Mo合金、活化Ni-Al粉)和贵金属催化剂。涂覆方法有喷涂、滚涂、化学镀等。

目前镍网电极及碱性电解池喷涂工艺已全面国产化,其中镍网生产以辉瑞丝网为主,宝仕莱、英瑞优创等公司主要从事碱性电解池喷涂工艺。相关公司包括君纳科技、辉瑞丝网、宝仕莱、英瑞优创、力士电极、图灵科技等。

宝诗莱

母公司成立于1964年,是亚洲第二家从事表面热喷涂增材制造的厂商,也是国内首家民营企业,从2001年开始为碱性电解器电极网喷涂提供服务。目前,宝仕莱新材料科技(苏州)有限公司是国内规模最大、最专业的氢能电极涂层制造商。常熟工厂预计总投资1亿元,投资10条全自动生产线,主要研发生产氢能碱性水电解制氢设备用电极网。

据了解,宝时来新材三种形态的电极网格结构均为微米级结构。接下来,宝时来新材将对微米级结构进行迭代,进一步实现微纳复合结构。宝时来新材创始人、总经理张伟涛在2022时银氢能年会上表示,目前,宝时来新材已规划在2023年达到千立方米电解槽产能1000台。同时,微纳复合结构在实验室测试的结果已经达到8500A/m²。

俊纳科技

君纳科技是一家专注于电极材料与工艺领域的高新技术企业,技术团队由中科院硅酸盐研究所研发人员领衔,管理团队由世界500强跨国公司高管组成,是一支中西合璧的创业团队,既拥有完全自主的创新能力,又具有国际化的经营理念。

1月12日,君纳科技在成都举办“碱性电极产品发布会暨成都工厂开业庆典”。活动当天,君纳科技首款碱性电极JA系列产品及首条碱性电极中试生产线正式发布并投入使用。“君纳电极+复合隔膜+平板结构+扩散层”在实际测试中表现良好,最高电密度达到/m²。

图灵技术

深圳市图灵科技产业发展有限公司成立于2017年底,专注于探索能源局域网发展路径、打造智慧能源综合服务平台、创新能源物联网领域人工智能业务、构建能源生态圈。现阶段公司主要打造三类产品:1、水电解制氢设备及系统;2、泛在电力物联网环境下的智能终端(环境质量检测终端、智能开关);3、支持泛在物联网设备接入的智慧能源管理平台。

辉瑞丝网

安平县辉瑞丝网厂成立于2005年,专业生产泡沫镍网及泡沫镍网深加工产品,经过多年的不懈努力,年产值已达8300万元,目前研发和生产有泡沫铜、泡沫镍、泡沫铁及泡沫镍铁、镍铬合金泡沫银、泡沫铜镍、泡沫锦钴等。

英瑞优创

北京英瑞优创氢能科技有限公司为英瑞元创科技有限公司旗下子公司,是一家专注于水电解制氢关键核心部件(高性能催化电极)研发、生产和销售的高新技术企业。拥有从本征催化材料研发、热喷涂催化材料制备、催化功能涂层设计,到热喷涂表面处理工艺全生产链,可为用户提供二元合金催化电极、三元合金催化电极、多元合金催化电极完整的产品解决方案。

英瑞科技的催化电极经过电解槽生产厂家、科研机构、大专院校等的检验,并批量应用于领先制氢企业的1000标准立方电解槽中。

能量石电极

利时电极科技(杭州)有限公司总部位于国家级杭州临空经济示范区,公司以推动电化学未来为使命,核心团队来自全球领先的催化电极制造商,拥有多年工业电化学不溶性电极设计、制造及应用支持经验,在多个应用领域自主研发产品并取得领先成果。

据利时电极相关负责人介绍,利时电极有能力针对不同的应用工况和工艺条件,提供电极的定制化解决方案和应用服务。利时电极通过热分解的方法,经过多次涂覆-转化-烧结工序完成制氢催化涂层的制备,可以实现对涂层成分、结构和组织的控制,从而更好地应对反向电流、铁离子、波动负荷等电极面临的挑战。目前,利时电极拥有1600多平米的研发测试中心,建成了具有电极特性的材料、电化学、化学分析等实验室,可以同时对上百种电极样品在不同应用条件下进行加速测试,以及相应的匹配材料表征、电化学性能表征等试验。 厂房面积约8000m²,烧结电炉可制备最大直径2.1米的电极,月设计产能²。

1.2 隔膜

隔膜的主要作用是防止氢气和氧气的混合。对于碱性电解槽来说,合格的隔膜应满足以下要求:

隔离气体分子但允许电解质离子通过;

耐高浓度碱腐蚀,并能长期承受电解质及产生气体的冲击;

孔隙率应尽可能高,以降低表面电阻,并在电解温度和碱性条件下保持化学稳定;

·原料易得、无毒、无污染、废弃物易于处理。

目前隔膜产品已经历经三代发展,“复合隔膜”被业界公认为碱性水电解隔膜材料的升级发展方向,具有阻气性好、稳定性好、阻力小、能耗低等特点。

主要隔膜制造公司包括东丽(中国)投资有限公司、爱克发集团、天工大学、碳能科技、中科氢易、科沃克科技、正本新材料等。其中碳能科技作为国内最早从事复合隔膜研究和生产的公司之一,已开发出表面电阻≤0.5Ω·cm²、厚度500~700μm的第三代复合隔膜产品。

碳能源科技

碳能源科技(北京)有限公司成立于2015年,公司自主研发了碳中和利用技术、碱性水电解制氢关键隔膜材料、工业高盐废水电化学脱氮技术,为规模化碳排放企业提供碳达峰、碳中和技术方案,形成了负碳+绿氢两大核心技术。

公司自成立以来,已获得红杉中国、首创科技、齐冀创坛、贝壳基金会、清华泰友基金等多家机构的投资,现有全职员工40人,其中博士及博士后5人,硕士20余人。

中科氢易

中科氢易成立于2022年5月,由中科院博士团队发起,公司致力于碱性电化学体系隔膜创新及产业化,主要涉及水电解制氢、液流电池、二氧化碳电解还原、水系电池及碱性燃料电池等先进装备领域,尤其在碱性水电解制氢、液流电池应用方面具有较强的技术积累。

针对碱性水电解制氢场景,中科氢能主推的下一代产品是离子溶剂膜,可替代传统的PPS网膜、多孔复合膜。离子溶剂膜在保留传统隔膜优点的基础上,相比另一技术路线的PEM膜具有更优的气体阻隔性能、更低的成本,且能适应风光等可再生能源带来的电解槽输入端波动。

科沃克科技

科沃克科技成立于2019年,专注于隔膜技术,进入新能源领域前,科沃克科技已在隔膜行业深耕15年,创始人易建华从事材料行业多年,经验丰富,团队目前主要由研究员组成。

科沃克科技历经三年研发,于2021年生产出国产第三代碱性水电解制氢复合隔膜K系列,由高强度网状纤维织物与无机粉体聚合而成,并已申请国家专利。该隔膜能耗低、结构稳定、耐碱性强、耐压性强,设计使用寿命可达5年以上,电气效率超越国外产品,膜面电阻领先国际水平。该产品目前已上市,价格明显低于爱克发的产品,随着规模逐渐提升,成本有望进一步降低。目前应用于中型碱性水电解制氢电解槽,客户包括大型石化机构、上市公司等。

1.3 密封垫片

密封垫片解决的是极片间的绝缘问题,关系到电流效率和安全问题,绝缘性能的好坏一方面影响产气量和稳定性,另一方面间接决定了极板和隔膜的使用寿命。

碱性电解槽密封垫片多采用复合聚四氟乙烯材料,以氟利达氢能为代表的国内材料供应商正加紧扩大产能,其2万平方米ALK、PEM密封垫片及塑料杆架半自动化生产线正在建设中。

氟化氢能源

氟达氢能成立于2020年,为富达公司全资子公司,拥有20年ALK、PEM水电解制氢复合密封垫片系统研发及非金属杆架设计、生产、安装专业经验。

目前,氟利达氢能正在加速布局水电解制氢市场,其水电解制氢产品包括密封垫片、塑料极架等,可应用于碱性水电解(ALK)、质子交换膜水电解(PEM)、阴离子交换膜水电解(AEM)等制氢市场,并与科克利尔晶利、隆基氢能、中船七一八、天津大陆、中石化科学院等国内知名企业建立了广泛的合作。

2.防喷器辅助系统

包括供电系统、控制系统、气液分离系统、净化系统、碱溶液系统、供水系统、冷却干燥系统及其他辅助系统,各系统所需设备及其作用如下图所示。

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