動量守恒 毛學偉：PEM電解水關鍵材料和核心器件降本增效之路
當前國內PEM電解槽市場尚未起量，近三年國內市場從應用端的角度看PEM電解槽的累計需求比例僅約7%，對PEM電解槽的需求規(guī)模合計約110MW，而設備成本過高是其實現大規(guī)模產業(yè)化應用的主要障礙。
因此對PEM電解槽企業(yè)來說，降本是當前頭號大事。
合肥動量守恒綠色能源有限公司（以下簡稱“動量守恒”）創(chuàng)立于2021年，專注于PEM電解槽核心材料與器件的研發(fā)和生產，在PEM電解槽關鍵材料和核心器件進行了系統地、深入地研究，開發(fā)了PEM低銥陽極催化劑、陽極直通孔結構多孔傳輸層、“六合一”復合一體化雙極板，可有效實現PEM電解槽的降本。
1. 從需求端和供給端看綠氫的產業(yè)地位
我們國家的光伏和風電，不但是存量裝機量，而且新增裝機量都是全球的絕對主力，光伏組件和風機的制造業(yè)產能也一大半都在中國，未來再繼續(xù)按照現在的速度每年幾百GW新增裝機，未來綠電如何消納，這是一個重大的問題。
重工業(yè)是全球碳排放最多的行業(yè)之一，它們減排特別困難，對綠色燃料產生了巨大的需求。
動量守恒總經理毛學偉認為，全球產業(yè)界在這兩者中間找到一個好的結合點，即綠氫，因此，綠氫將會成為未來不管是中國還是全球，新增風電、光伏投資的重要消納渠道，也將是重工業(yè)實現深度脫碳比較優(yōu)的路徑，或者說是為數不多的路徑之一。
針對風光制氫項目，我們該怎么評價呢？最近幾年包括中國、歐美、中東、北非立項非常多的風光制氫項目，以往我們看一個投資項目，評價方法比較常用的是回收期、IRR、ROE，動量守恒用ROE剖析了風光制氫項目對技術的核心需求。
凈資本收益率，是對任何一個投資項目都是非常關鍵的財務評價指標，它跟LCOH（氫氣的平準化成本）成反相關，LCOH與單位氫耗電量、設備折舊費呈正相關，而設備折舊費與設備購入成本和設備使用年限相關，因此我們總結，ROE跟壽命、性能成正相關，與成本成反相關。
動量守恒風光制氫項目財務相關性評估模型
ALK和PEM是主要的電解水制取技術路線，對于ALK和PEM兩條技術路線是什么關系呢？最近幾年大家討論比較多，有些人覺得ALK和PEM是互相顛覆的關系。動量守恒總經理毛學偉認為，ALK和PEM未來將是長期共存的狀態(tài)，它們將共同協同推進風光制氫項目LCOH的持續(xù)降低。
然而，最近兩年，特別是國內風光制氫項目中，PEM裝機量占比非常低，甚至很多項目可能沒有PEM裝機，這是什么原因？
毛學偉表示，PEM電解槽裝機量占比反比于PEM與堿性單位成本倍數。比如現在整個行業(yè)平均水平PEM是堿性成本的5倍，我們認為PEM裝機量占比不會超過10%，甚至不會超過5%的占比，如果未來隨著PEM降本，跟堿性成本的倍數從5倍降到4倍、3倍甚至1倍，我們認為PEM裝機量占比會提高10%，甚至30%以上。
長期來看，PEM和堿性電解槽之間成本沒有倍數差，只有百分比差。比如高30%-80%。
動量守恒PEM/ALK成本倍數與PEM裝機量占比情況分析
2. 動量守恒PEM降本思路
PEM電解槽核心材料主要就是質子交換膜和催化劑，質子交換膜和催化劑主要依賴于進口，目前也在陸續(xù)國產替代，但需要更多示范項目去驗證。另外，PEM電解槽關鍵器件主要特指鈦基器件，雙極板、多孔傳輸層和貴金屬涂層。
沿著核心材料和關鍵器件這兩個路線，動量守恒總經理毛學偉提出了他們的降本思路。
核心材料的主要方向應瞄準增效為主。
膜電極在整個PEM電解槽成本占比不是最大的，大概是30%或40%以下，但對壽命和性能的影響卻是巨大的、決定性的，應著重考慮提升性能和壽命，這樣做的話，邊際收益是最大的。
催化劑壽命是第一位的，然后才是性能，在兩者保證下逐步降低它的載量，從而實現降本。同時，膜電極一致性、批量化制備，消氫設計等也有利于降本。
對于關鍵器件，鈦基器件在整個PEM電解槽內成本占比比較高，應該著重考慮降低成本，這樣做在財務上，邊際收益是最大的；雙極板和多孔傳輸層更多要考慮加工工藝，貴金屬涂層可以開發(fā)新興的涂層工藝，降低貴金屬用量。
動量守恒PEM電解槽降本思路
3. 動量守恒的降本解決方案
沿著PEM電解槽關鍵材料和關鍵器件兩條降本增效思路，動量守恒有什么樣的對策？對此，動量守恒總經理毛學偉也給出了他的解決方案。
首先，動量守恒專注于做核心材料和器件的供應商，屬于PEM電解槽的供應商，主要在陽極催化劑、SP-PTL和一體化雙極板這三個方向進行相應研發(fā)。
對于PEM陽極催化劑銥有兩款產品，多孔氧化銥催化劑，是三維結構；鈦負載型催化劑，低銥產品，這個項目也得到了國家重點研發(fā)計劃項目的支持。這些催化劑每批次生產量已經達到了300克以上，日產超過600克，能夠達到高一致性、批量化制備，同時也獲得了兆瓦級的應用。
動量守恒兩款催化劑的實測數據
對于傳輸層，動量守恒獨創(chuàng)了一種高有序化直通孔結構的陽極多孔傳輸層（SP-PTL），每平米超過1.7億個直通孔，厚度公差3微米以內，非常有益于電堆組裝，相關特點如下：
第一，它有梯型排列的孔，動量守恒用了可視化夾具做了很多研究，發(fā)現在氣泡排出過程中，所有氣泡全部是從梯型中間排出，而且這些氣泡尺寸不可能超過40微米，因為被梯形孔的高度限制了，水可以走兩邊下去，對流效果最好；
第二，它是體結構，導致它跟催化層接觸是面接觸，阻抗比較低，且特別有利于散熱；
最后，它表面特別光滑，我們可以開發(fā)物理性的鍍鉑工藝，鍍鉑量很低，且防腐做得很好，這是它本身具有的優(yōu)勢。
動量守恒最近做了很多研究，根據動量守恒實測數據可以看到SP-PTL和鈦氈的電壓斜率（也就是壽命）在5000小時到7000小時以上的尺度上發(fā)生了分歧。整個陽極PEM電解槽是四象場，包含水、氣、電、熱。
陽極多孔傳輸層實測數據
基于測試結果，動量守恒討論了有序和無序化四相場對電解槽產生的影響，給出的結論是陽極有序化四相場可以更好地保護膜電極，讓膜電極壽命更加長，并對此進行了如下解釋。
第一，有序化可以讓熱量分布更加均勻，就是焦耳熱和歐姆熱，因為它導熱性比較好。
第二，電流不存在競爭，電場分布更加均勻。
基于以上兩個主要因素，直通孔有序化結構多孔傳輸層在PEM電解槽內具有下述的優(yōu)勢：一是傳質更好，二是鍍鉑成本更低，三是穩(wěn)定性更優(yōu)異，對膜電極保護得更好。
對于雙極板，動量守恒基于現有的SP-PTL拓展了“六合一”一體化雙極板，鈦板陽極端由直通孔結構多孔傳輸層、一層細的鈦網、粗的鈦網組成，然后在鈦板陰極端加一層粗鈦網和細鈦網，形成了“六合一”一體化雙極板，具有如下優(yōu)勢。
第一，工藝比較簡便，六個部件復合在一起，通過焊接和中低溫燒結在一起，避免以往在鈦板做蝕刻等復雜的工藝。
第二，原材料比較易得，除了SP-PTL之外，所有鈦網和鈦板全部是標準工業(yè)化產品，非常容易購買，成本比較低。
第三，降低內阻，以往鈦氈和雙極板是兩個零部件，現在變成了一個零部件，內部電阻消失為零。
第四，減少鍍鉑，“六合一”是一個零部件，就在陽面鍍一層鉑，陰面鍍一層石墨，以往鈦氈要兩面鍍鉑，雙極板陽面要鍍鉑，現在降到只需要一面鍍鉑，這大大降低了鉑金的用量，從而降低大約60%的鍍鉑成本。
動量守恒“六合一”一體化雙極板
除了PEM電解槽關鍵材料和關鍵器件外，動量守恒基于現有材料和器件技術做了橫向拓展，產品拓展到了AEM電解槽和二氧化碳電還原領域。
在PEM電解槽內，傳輸層材料為鈦材，基于做鈦基傳輸層的工藝，我們將材料換為鎳材料，開發(fā)了直通孔結構的鎳基傳輸層和電極。同時，動量守恒沿著這個思路也做了二氧化碳電還原鈦陽極器件（鈦基SP-PTL表面鍍銥的多孔傳輸電極）。目前，這兩塊產品應用已經有了平方米級的客戶。
最后，在產能布局規(guī)劃上毛學偉表示，動量守恒目前在合肥已有1條催化劑產線、1條PTL量產線、1條一體化雙極板焊接線、2條膜電極試驗線和60個測試通道，未來計劃在合肥和長春新增一些產能。
原文標題 : 動量守恒 毛學偉：PEM電解水關鍵材料和核心器件降本增效之路
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