三一氢能：碱性电解槽的电极和隔膜

近年来，全球能源需求呈现爆发式增长，这不仅造成了大量化石燃料的消耗，同时也造成了严重的环境污染和温室效应。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，可再生能源已成为未来能源主流。三一集团对能源格局的变化有深刻的认知，已经在氢能、硅能、锂能等多个领域布局，为能源转型做好充分准备。

氢气作为一种零碳的能源载体，具有非常高的的能量密度(140MJ·kg-1)，正得到越来越多的关注，2050年世界上20%的CO2减排可以通过氢能替代完成，氢能消费将占世界能源市场的18%，其中利用可再生能源电解水制取获得的绿氢在全部氢能供给中的占比超过80%。

目前，主流的电解制氢技术包括碱性电解水技术(ALK)、质子交换膜电解水技术(PEM )、固体氧化物电解水技术(SOEC)和阴离子交换膜电解水技术(AEM)。其中中国碱性水电解设备在单槽大型化和低设备成本方面优势明显，是大型制氢项目的首选技术路线。三一氢能作为国内领先的电解槽生产厂家，依靠三一传统工程机械的领先技术，在短短的两年时间拥有了行业认可的碱性电解槽和PEM电解槽等多种性能稳定的产品。

对于碱性电解槽，电极和隔膜作为关键材料，影响电解槽的能耗，因此高性能的电极和隔膜可以有效降低小室电压，从而达到提高电解效率、降低电耗、提高单槽产气量、提高电解槽寿命。三一氢能早在成立初期就已认识到核心材料的重要性，并迅速建立起氢能实验室和20MW整机试验场，为电解槽关键材料优化提供数据支撑。

品目繁多的电极

碱性电解槽中有多个小室，每个小室中有两张电极，一个是阴极，一个是阳极，形状一般与电解槽的形状一致（一般为圆形），其几何面积就等于电解槽的有效面积。

（图：碱性电解槽和电极示意图）

目前，市场上和研发领域的碱性电解水制氢的电极种类繁多：

性能最佳的当是贵金属类（Pt、Pd、Ru等）的电极，根据理论数据（氢吸附吉布斯自由能），贵金属是所有金属材料中最接近最佳析氢催化活性的。意大利公司迪诺拉使用混合贵金属氧化物涂层，通过热解沉积等方式将催化剂与基底材料结合制作贵金属电极，其对外公布数据在80 ℃碱液、2 V电压下，电流密度可达900 mA·cm-2，并能保持长周期运行，电极性能衰减率仅为每年0.5%。这类电极已经被实验和市场证明它们是现在尖端的水分解催化剂材料，然而，由于其成本太高，储量太低，它们的广泛应用受到严重阻碍。

针对实验室最新研究的电极，包括碳基电极、泡沫镍自生长电极、电沉积、水热包覆等有着精密结构和催化点位控制的电极，其性能往往远好于普通工业电极，但少有能在稳定性测试中达到标准的新材料，而很多电极制造工艺受限于复杂且难以规模化的工艺流程、新材料的高昂研发和生产成本等因素，大规模的生产和应用难度大。

现在大型电解槽中广泛应用的是非贵金属（Ni、Fe、Mo、Co等）电极，目前国内大型碱性电解槽使用的电极大多是采用热喷涂工艺制备的雷尼镍电极，一般以镍网为基底，喷涂非贵金属高活性催化剂电极，经过喷涂处理的电极在一定的小室电压下能够展现出较高电流密度，实现了物有所值的电极。

随着电极性能的不断优化，需要更进一步完成物超所值的提升，就需要提高催化活性位点的数量和活性。需要在更加微观尺度上去进行优化，例如以Ni网为基底，改进喷涂工艺参数或配方，喷涂制造比表面积更大的雷尼镍电极或具有多元活性的催化剂电极，形成催化剂的多孔结构，使其比表面积进一步增大，这样在给定的小室电压下就有更多的位点去参与水电解反应，电极性能就会进一步地提高。

（图：多种碱性电极制备示意图）

市场上拥有琳琅满目的电极产品，如何做到优中选优呢？

三一氢能的氢能实验室和试验场对于电极优选提供的充分数据支撑。三一氢能实验室对于电极产品进行电位、结合力、稳定性等多维度的性能评估，根据三一标准优选电极产品。在实验室筛选阶段，对于初期性能优异但长期运行稳定差或结合力差的产品，不作为优选；对于初期性能中等但长期运行性能较好的产品，不作为差选，会根据产品情况综合评估，筛选电极。之后，对于筛选后的电极进行上槽检测，在三一氢能长沙试验场的电解槽上运行，以多种工况的实际运行情况，进行多维度评估，再次优选电极产品，用事实证明，用数据说话，做到电极产品的优中选优。

见微知著的隔膜

对于高效可靠的碱性水电解系统，除了高活性的催化剂之外，隔膜不仅起到分隔阴阳两极、避免氢氧混合的作用，还会影响电解槽的能耗，更是保证安全运行的关键材料。理想的隔膜材料应具备良好的离子导通性、低电阻率、高隔气性、较薄的厚度、高机械强度以及在高温高浓度碱性电解质中的长期耐久性。

碱性水电解发展至今经历了石棉隔膜、PPS隔膜以及复合隔膜3代。

石棉隔膜为传统碱性电解槽隔膜，具有强度高、耐腐蚀耐高温且亲水性好等优势，但由于存在致癌性目前已被淘汰。

PPS隔膜有着耐热性能优异、机械强度高、电性能优良的特点，但由于亲水性差、厚度大(大于500 μm)和通孔尺寸大等原因，通常表现出较高的离子电阻和透气性，导致能耗高，氢氧易互串，一般可通过表面改性等方法提高其亲水性。但是即使在表面耦合有机亲水基团进行亲水性改进，其隔气性差等问题仍然较难完全解决。

而第三代隔膜在PPS织物表面涂覆无机功能涂层，类似三明治结构的有机-无机复合隔膜，成为目前隔膜研究的主要方向。复合隔膜表面的无机功能涂层具有均匀的微孔结构，不仅大幅提高了亲水性及隔气性，而且降低了离子电阻以及隔膜厚度。

（图：不同隔膜的单电解池的电解水电压（4 kA/m2））

目前, 国内外已有复合隔膜成功商业化应用于电解槽中的案例, 未来隔膜所用的材料会在复合隔膜的基础上, 朝着研发具有更高抗腐蚀性、防止氢氧交叉渗透以及更高离子电导率隔膜方向发展, 在有效降低能耗的同时, 尽可能提高氢气纯度。

三一氢能对于隔膜的筛选和电极一样，有着严格的标准和流程。对于圆形电解槽主流应用的PPS隔膜，三一氢能实验室拥有10余种性能检测能力，包括气密性、面电阻等，综合评估PPS隔膜性能。优选后，再上电解槽运行，以性能检测数据和实际运行数据作为评价标准，优选PPS产品。而对于复合隔膜，三一氢能拥有与之匹配的方形电解槽产品。在复合隔膜优选方面，结合实际使用工况，面对不耐磨和潮湿保存等复合隔膜独有的情况，建立多种检测，优选安全可靠、操作方便的复合隔膜产品。

现有碱性水电解制氢技术成熟度高、方案简单且成本低，已经大规模应用于中国三北以及其他地区的大型电解制氢项目。未来，无论是新型电力系统建设，迫切需要的大规模风光消纳能力，还是化工、交通等领域的低成本绿氢供给需求，都需要电解槽能够适应风光波动性电源。

然而，当前产业技术主要以单槽产氢量为追求目标，进行大同小异的改进，能够改善电流密度低和动态性能差等问题的技术进步则相对有限。绿电制绿氢的新需求对碱性水电解技术的关键材料提出了更高的要求，碱性水电解电极和隔膜已成为研究和影响未来工业应用的主要方向之一，最终实现低成本高性能的材料生产和应用，实现真正的物超所值。

三一氢能对于电解槽发展方向已有清晰的认知，结合市场上不断优化的电极和隔膜产品，能够为氢能行业带来具有领先地位的电解槽产品。

未来，三一氢能将继续聚焦圆形槽、方形槽、PEM 槽、BOP 的“3+1”技术路线，不断完善并强化集成设计、材料研发、仿真分析、试验验证、电气控制、制造工艺、氢安全设计等七大核心能力。同时，三一氢能期待与行业客户、设计院、供应商、科研院所、行业机构等深化合作，共谋氢能装备的高质量发展，为实现“双碳”目标贡献三一的力量与与三一方案。