樊建涛:《PEM电解水制氢降本路径》发表时间:2024-03-13 11:40 《PEM电解水制氢降本路径》 氢辉能源(深圳)有限公司 联合创始人/CTO 樊建涛 首先我们要感谢主办方能提供这样的机会,能让氢辉在这里给大家来介绍一下我们氢辉在PEM电解水制氢降本路径方面的一些思考。2020“双碳”目标确立以来绿氢项目落地的,还有这些已经规划的都特别多,绿氢大家都知道它是作为长时储能的载体,可以突破时间和地域上的限制,所以它的长时储能载体的效果是特别明显的。 作为绿氢,它主要的应用领域,作为长时储能可能只是一小部分,在石油化工的一些原材料方面,在冶金还原方面、建筑材料水泥炼制方面,它的应用领域、市场是更为巨大的。 绿氢的制氢技术碱性大家都比较熟悉,都比较成熟,PEM也在成熟的产业化阶段,由于碱性电解槽已经有二三十年的产业化的历程,所以它整个材料体系、成本方面都是比较成熟,成本比较低,在已经落地的绿氢项目里面碱性电解水还是为主,占98%,另外2%就是少量的示范,也就是PEM电解水。 PEM电解水主要的应用领域,在目前这个阶段,主要还是在电子,作为还原器、保护器,特别是在城市内不用有环境因素的影响,它的维护比较简单,在这方面,它的应用是比较多的。 经过三年绿氢“双碳”的目标确立以来,PEM整个产业链的降本还是非常明显的,像钛材料,钛材料、钛板、钛砧、钛的多孔板都是钛材料,钛材料本身的价格也就是140到180块钱一公斤,做成钛板可以通过它的面积、厚度直接算出来它的材料成本,由于前两年,特别是2021年左右,它的技术特别不成熟,每家做基本上属于定制化,经过这两年,特别是去年到今年拉练,像钛板、钛砧的成本降低很多。 在PEM电解水里面成本占比最高的膜电极,大家都在走降本、降载量的过程,所以它的成本降低也很多。通过这两年的拉练,大家已经看到了PEM电解水在整个成本空间上的降本潜力,再加上整个PEM产业链的成熟,我们预测,横坐标是年头,纵坐标是它的应用领域,我们预测,在未来几年PEM的占比在整个绿氢项目里面会越来越高,这里面有一个数据,像刚才讲的去年绿氢落地的项目,PEM占比2%,但是2023年上半年PEM的占比达到了8%,经过产业链的继续成熟,到2024年、2025年这个比例要超过10%,接近30%,当咱们的成本达到一定程度,PEM电解水的优势,就是可再生能源复合更优,它的承压能力更高、维护更方便,只是给它提供纯水,这个优势体现得更明显之后,大家可能更愿意来采用PEM技术。 在这个层面,碱性还是有它的成本优势,毕竟在材料体系,整个产业链成熟度还是在,我们预测在2024年以后可能整个绿氢项目主要还是碱性和PEM电解水为主的我们称为“电-电混合”模式,可能这个概念提得不是特别合适,主要是在这两个层面它们形成优势互补的一种形式。 碱性膜电解槽这两年也比较火,碱性膜这个技术是继承了碱性电解水材料体系的优势,成本比较低,也继承了PEM电解水里面像实体隔膜的抗压能力比较强,抗压能力、抗波动能力强,它对可再生能源风光电的波动性、响应性就很强,现在碱性膜电解水有很多问题,最主要的问题是它这里面的这张膜和电极稳定性的问题,整个路径,像ALK和PEM电解混合的模式,对于像阳光、隆基这些大企业在做的“电-电混合”整个系统层面的控制,多台套电解槽集群控制其实是一个很大的问题,需要大家一起攻关把这个问题解决掉。 我们这里面是两个技术,PEM电解水和AEM电解水,氢辉能源是质子交换膜现在商业化、产业化的主力军,AEM电解水是我们一个储备的技术。 像国际上做PEM电解水的,像Proton、康明斯、SIEMENS、ITM power这些都是属于老大哥,他们一般在PEM电解水领域里面都有十年以上,甚至二十年的经验,所以他们在制氢技术上、装备制造上还是处于领先地位。 国内的电解水企业多为多起步,产业链不太成熟,再加上这个技术不太稳定,缺乏核心技术的全面产业化,这些原因导致现在PEM电解水的价格基本上是800万到12000万每兆瓦,但是碱性电解水基本上是700万到1000万5兆瓦,PEM的价格是碱性电解水4到5倍的程度,大家提到PEM,都说第一个印象,那就是贵。 制约PEM电解水制氢产业化最主要的因素还是它的成本问题,但是在这个问题上,氢辉做了很多的思考,也做了很多的努力和很多的工作,像降低铱载量,我相信做所有PEM电解水的厂家都在朝这个方向努力,做膜电极的、电解槽的都在做降载。我们是由原始的2到3毫克的铱载量降到0.5毫克,咱们都知道像贵金属铱在PEM电解水里面成本占比可能是20%到30%,我们把它的载量从2到3毫克降到0.5毫克,相当于直接砍掉了成本20%,这是一个很大程度的降本。 氢辉能源也有80到100微米,我们叫双增强的质子膜,采用氢辉的质子膜,首先这个膜变薄了,它的欧姆阻抗变低了,咱们的电解槽产氢量就会更高,相同的槽子产氢量更高了,就相当于咱们的成本变得更低。另外一个层面,就是在膜电极性能提升上,咱们怎么来提升铱的利用率,来提升电密,提升单体槽的产氢量,我们已经将原来的1A到1.5A1.8V的性能,采用氢辉的薄,再加上膜电极性能的优化,能提升到2到3A每平方厘米在1.8V,这就相当于用同样的操作,将产氢量直接翻了1倍,再加上前面催化剂的降载,减20%再除以一半,那就是40%。另外,氢辉在MW级规模化的产能上面,因为现在PEM电解水的生产大多数是属于单台套手动组装,成功率比较低,良品率比较低,所以这也是导致PEM电解水电解槽价格贵最主要的原因,我们通过MW级规模化、自动化的生产,可以带来边际成本的降低,还可以带来生产效率的提高,良品率的提高。另外也是比较主要的一点,咱们产业链,像刚才提到的基板、钛砧、钛板、集宽、集电器这些功能部件的占比也不小,当这些成熟之后能带来进一步的降本。 讲到这里,我想给大家介绍一下氢辉能源这个公司,老朋友可能对氢辉能源已经非常了解了,在这里,我做一个简要的汇报,新朋友大家就认识一下。 氢辉能源是专注于质子交换膜电解水制氢关键材料部件,还有电解槽的生产与研发,成立时间,咱们大会是11月7日,我们是成立于2021年11月,整整两年,但是我们的核心骨干成员,像一些关键材料、部件、电解槽里面,这些核心骨干大多有五年到八年以上的研发生产经验。 另外,我们要提一下在座的李辉教授,也是在氢能和电解水行业已经有20年以上的从业经验,而且全球国际上第一本PEM电解水的书籍也是李辉教授之前在国外工作的时候主编的,目前公司员工70余人,硕博占比30%,研发占比70%,这个比例有所降低,主要是因为有些生产人员加入公司。 氢辉能源的业务定位,在整个PEM制氢产业链里面,我们双增强的质子交换膜膜电极、电解槽是本着PEM电解水技术由内向外,以关键的核心材料为抓手,与一流的上下游的企业合作,来共建PEM电解水具有竞争力的一个产业生态,目标是想通过一到两年技术的沉淀、积累,成为国际市场PEM电解槽以及关键核心材料的头部企业供应商。 氢辉能源的英文名,可能大家不太清楚,就是Br iHyNergy,打造具有强识别性的PEM电解水制氢系列产品,比如BriLyzer电解槽系列产品、BriPEM双增强型质子交换膜系列产品、BriMEA膜电极系列产品,还有八通道的电解槽测试台架BriTester,稍微给大家介绍一下,前面刚才没有介绍,这就是我们在检测质子交换膜和膜电极性能、寿命的时候自研的一套测试装备,很多同行来我们这边调研交流之后发现这个东西很好,效率很好,所以让我们卖给他们,所以它逐渐变成了我们销售的一个产品,就是测试台架。 氢辉能源现在在PEM电解水制氢领域已经形成了“1-4-4产能”,氢辉能源具备1GW电解槽的装配线产能,4GW质子交换膜产能,以及4GW膜电极产能,其中4GW的膜电极产能去年7月份已经和大家见面了,今年7月份我们也是质子膜的产线和大家见面,一会儿在整个幻灯片的后面,我会给大家详细介绍一下我们1GW电解槽的产能。 三条产线的建设,首先能保证所有的关键材料的自己供应,另外一个是可以来提升整体的层面上关键材料和部件、槽层面的降本,另外是增加所有关键部件材料,特别是电解槽组装时的产品一致性、良率的问题。 今天我们也是想借佛山氢能大会做一件很重要的事情,就是向各位同行来发布我们200标方PEM电解水的新品,我们这新品也是经历了一年多的产品研发,从关键材料、质子交换膜、膜电极方面的验证,再到PEM电解水200标方这个平台短堆的验证,经历了一年多,我们做了一个短视频给大家来介绍一下我们的研发经历。 每次看完这个视频之后,都是特别地激动,这都是很多兄弟一年多的心血结晶。 下面我将给大家隆重介绍氢辉能源BriLyzer R200电解槽,200标方的电解槽平台设计单片活性面积大于3000平方厘米以上,产氢量200标方每小时,功率是912KW,接近1兆瓦,出口压力是5-35barg,效率大于80%,功率范围是5-150%,这个参数我可以给大家稍微展开一下,一般的碱性PEM电解水的功率范围大多是在30%到100%左右,如下是因为它如果在功率下探的时候,氧中氢的含量比较高,会带来一些安全性上的问题,而PEM电解水一般数值是10%,首先它比碱性低,就是因为它的PEM膜是一个实体膜,所以它这个实体膜的阻氢性是比较好的,它可以把功率范围做得更低,对于氢辉,因为氢辉有自己的质子交换膜产品,有自己的膜电极产品,我们这在两个产品上进行了一些抗渗氢的设计,使得我们电解槽氧中氢的含量很低,可以将功率范围做到5%,甚至是3%以下。功率范围150%,其实我们这个电解槽的额定操作电流是2A电密,它的能耗也是达到了4.3kWh每平方氢,我们在关键部件的层面,在3A电密下已经验证了超过5000小时的寿命,完全可以保证PEM电解槽在功率范围150%的时候进行长期的操作。 电解槽的技术优势,首先也要体现在膜电极的技术优势上,我们在膜电极上采用特有的联合分散的制浆技术,还有特殊设计的涂布结构,来构筑多孔疏松且具备超强催化层结构强度的膜电极结构,首先是提高了催化剂的利用率,降低了载量,另外一个是保证膜电极的寿命。 在寿命层面,大家测寿命的时候,可能更多的是在恒流模式下去测,但是PEM电解水的抗扰动性很强,咱们就要体现它这方面的优势,我们也是采用了内蒙风电厂的风机波动数据,把它拿回来以后我们进行了3倍的加速,进行了15倍的加速,在0到2安和0到3安的条件下进行长期的寿命验证、寿命扰动,可以看到经过将近4000小时的寿命衰减测试之后,它是没有任何的衰减,咱们可以看到它的衰减是一个负值,它的寿命逐渐地变好,这足够说明了氢辉膜电极的寿命稳定性。 在安全性层面,氧中氢的含量很重要,像没有做氢辉抗渗氢处理的氧中氢的含量0.6%,经过1代处理能降到0.4%,2代处理能降到0.3%,再结合上氢辉抗渗氢的膜,它的抗渗氢能做到100PPM,也就是0.1%。 在电解槽层面上,我们都知道电解槽做大了之后会带来各种各样的问题,传质问题、传热问题、密封问题、一致性的问题,我们通过气流两相流的优化以及可靠的密封设计、组装条件的优化,实现电解槽在额定电流的情况下,3兆帕的情况下,达到小室极差小于30mV,这个数据在国际上都是遥遥领先的。 现在氢辉完成了整个电解槽产品从S0、S5、S50、R200电解槽的成熟,在R200的平台上,我们将会进一步的研发它的多层堆叠一致性和换热的问题,我们也是希望在明年氢能大会上能推出氢辉R600,也就是单槽3兆瓦的电解槽。 再给大家介绍一下我们MW级的产线,主要是来提升电解槽的装配一致性、良率,我们这个电解槽的装配性有6个工位,有物料的清洗,上下端板的装配,还有来确定装配一致性、速度高精度的自动堆叠工位,我们有2台六轴机器人,堆叠精度达到0.5毫米,堆叠速度是8秒。 另外还有自动紧固的装置,也是高精度的压机再匹配机器人来保证堆的时候力的均匀性。还有气密检测工位,那就是下厂之后6兆帕的气密检测。最后就是快速下限工位,实现30秒的快速下线,而且承重高达10吨,这是为我们后面单槽3兆瓦准备的。 目前电解槽的产线可以实现一天10个小时4堆的生产节拍,囊括S型系列堆、R系列堆多堆型的柔性生产,产能达到1GW。 氢辉在氢能大会上也布置了产品,HA05-20,欢迎各位专家和同行莅临交流。 谢谢! |