莒纳科技JP系列量产 PEM制氢膜电极的国产化降本之路

　　摘要：低贵金属载量+创新量产工艺，工业化，国产化，定制化。

　　受益于绿氢产业发展，PEM电解水制氢设备迎来工业化应用机遇，市场对于其成本、性能、稳定性及适配性有了更明确的需求。同时，国内PEM电解水制氢设备发展早期，结构设计多样化，核心材料供应链尚不成熟且组合方案尚未定论，国产化率较低，阻碍了PEM电解槽降本及市场化推广进程。

　　在此情形下，绿氢电极供应商上海莒纳新材料科技有限公司(简称“莒纳科技”)推出其量产型PEM制氢膜电极JP系列产品，阴极Pt载量低至0.35mg/cm²，阳极Ir载量低至0.86mg/cm²，降本约20%。目前，第一代JP-30000膜电极已在20方工业槽验证中实现了1.84V@2A/cm²,65℃,N115的稳定运行;其改良型二代产品也已在实验室中实现了1.75V@2A/cm²,65℃,N115的稳定运行。

　　“PEM制氢膜电极从立项到量产落地用了近三年的时间，在配方、结构、选型和工艺上做了深入细致的研究。目前产品经过客户端测试，在大面积(500x600mm)量产的情况下，依旧能保障涂层厚度和载量的均一性，以及产品质量的一致性，并已在去年12月成功投产。此外，我们还测试了催化层与各类质子膜的适配性，对下一步的全国产化替代有了数据支撑。”莒纳科技指出。

　　更加务实的PEM制氢膜电极系列产品

　　在大规模的工业化应用中，PEM膜电极外购是必然趋势。瞄准工业化PEM膜电极的空缺，莒纳科技展开了技术攻关。

　　“从阴阳极催化剂材料开发到质子交换膜选型、从浆料成份配比、工艺(制浆、涂布、转印)优化到设备定制和调试，中间我们联合客户对膜电极衰减、渗氢、一致性等方面做了大量的测试和验证，在这种不断的验证和改进的循环往复中，我们确定了大幅宽狭缝式平板涂布机+热转印的量产工艺，目前已建成100MW的膜电极产线。” 莒纳科技研发人员透露。

　　JP系列核心参数

　　在研发之初，JP系列的产品理念就是“以工业化应用为首要考虑”，该系列膜电极做到了即装即用，不需要大电流活化，简单的在线活化即可，无需前处理。莒纳科技基于其即将正式投运的电解槽核心零部件测试平台，已对JP系列膜电极做了大量的性能验证和适配性测试——

　　装载JP-30000膜电极的10Nm³ /h 电解槽

　　目前， JP-30000膜电极（2A，N115，60℃）已在实验室稳定运行超过1900小时，衰减率控制在5μV/h范围内，氧中氢含量仅为0.34%。 同时，莒纳科技已建成多套双重精准控温(控温精度可达±0.2℃)的PEM膜电极测试台架及10-20方电解槽测试平台，将用于长期稳定性测试及工业槽性能验证。

　　JP-30000稳定性测试

　　“基于大量测试数据和实验，莒纳科技希望交给市场的PEM制氢膜电极JP系列是真正能落地到工业槽应用的产品，为PEM制氢路线的发展贡献专业绿氢材料商的力量。”莒纳科技表示。

　　超低贵金属载量，膜电极降本达 20%

　　贵金属依赖是提及PEM制氢绕不开的话题，主要体现在膜电极阴阳极催化剂中铂、铱贵金属使用成本与大规模应用降本需求间的矛盾。

　　目前1MW的PEM电解水制氢系统(含BOP)价格在1000万左右，大约是同等产氢能力碱性制氢路线的3-5倍。膜电极约占槽体成本的20-25%，其中催化剂约占膜电极的30%，一般阴极铂碳催化剂负载量约为0.3~0.5mg/cm²，阳极方面应用较多的氧化铱、铱黑解决方案中的铱用量在1~2mg/cm²，且铱是最稀有的贵金属之一，全球年产量约为5-10吨，铂的全球年产量约200吨。贵金属保有量和年产量低，成本居高不下。

　　而莒纳科技针对阴阳两极催化剂进行了定向研发和改进，阴极催化剂使用 Pt合金，增强活性位点协同作用；阳极催化剂通过浆料配方的优化及分散工艺的改进， Ir 载量从2mg  Ir /cm²以上降到0.86mg/cm²，从而有效实现了约20%的膜电极降本。

　　同时，结合其在电催化剂及材料合成方面的优势，莒纳科技在负载型阳极催化剂及有序化电极结构方面进行了大量的技术储备，以促进电荷传输进一步提高催化剂的利用率。

　　“下一步，催化剂在浆料颗粒和微观结构利用等方面还有很大的迭代空间，同时在批量生产方面，优化工艺降低损耗、打通贵金属回收再利是进一步再降成本的有效途径。”莒纳科技表示。

　　直面定制化需求，助力国产 PEM制氢膜电极探索“最优解”

　　针对当下PEM电解水制氢设备结构设计多样化、核心材料供应链尚不成熟且组合方案尚未定论、国产化率较低等关键问题，莒纳科技PEM制氢膜电极JP系列产品也提出了定制化解决方案。

　　“目前我们膜电极活性催化区域最大可达到500x600mm，可以满足不同客户要求，提供各种规格的膜电极三合一、五合一产品，并为我们的客户提供工业化验证的服务。”莒纳科技表示。

　　定制化解决方案为国产PEM制氢膜电极探索核心材料组合的“最优解”提供了更多可能性，也将为国产化材料的降本替换提供更多数据支撑。

　　据GGII调研数据，当前PEM制氢电解槽核心材料国产化率不足50%，其中工业槽中PEM制氢进口质子交换膜市占率达90%以上，且进口质子交换膜多为国产材料价格的2倍，核心材料实现国产化替代后将有效降低PEM电解槽制备成本。

　　莒纳科技针对PEM电解水用质子交换膜进行了系列测试，虽然现在量产产品还是采用科慕Nafion™ 115质子交换膜，但根据测试结果，已经有一些国产膜在测试中呈现不错的性能效果，莒纳科技正在加强和这些膜厂家的合作测试和性能改进工作，有望助力国产质子交换膜早日实现国产化替代。

　　JP-30000改良型二代产品适配不同质子膜的性能测试数据@60℃

　　在领先催化剂优势和创新生产工艺的协同下，莒纳科技向市场交出了JP系列PEM膜电极产品，本着在创新中务实的理念，打通工业用膜电极量产技术瓶颈，期待其在后续的技术验证及产品迭代中继续发挥绿氢材料商的专业实力，助力PEM制氢电解槽早日迈向规模化新台阶。

责任编辑：柯鹏