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在全球面臨氣候變化、地緣政治、經(jīng)濟(jì)增長乏力的共同遭遇下，能源轉(zhuǎn)型不僅被視為解決氣候變化和政治沖突最好的路徑，也成為世界經(jīng)濟(jì)增長新動(dòng)力，“碳達(dá)峰，碳中和”成為全球最大的共識(shí)。
但可再生能源天生的不穩(wěn)定又為持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能、氫能被付以重任，電解槽這個(gè)作坊式小規(guī)模制造產(chǎn)品突然變得高大上起來。然而，成熟產(chǎn)品遇到新增市場(chǎng)似乎并沒有讓業(yè)內(nèi)人士可以坐享其成，產(chǎn)能擴(kuò)張十倍于市場(chǎng)需求，使得這個(gè)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)變得異常激烈。
如何在行業(yè)快速發(fā)展中保持競(jìng)爭(zhēng)力，在行業(yè)惡性競(jìng)爭(zhēng)中提升客戶依賴度？在躁動(dòng)的市場(chǎng)中保持定力？這是電解槽產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問題。
這一次，我們以“成熟產(chǎn)品”堿性電解槽的核心零部件——電極企業(yè)為視角，對(duì)國內(nèi)龍頭企業(yè)保時(shí)來團(tuán)隊(duì)作訪談，核心是看“成熟產(chǎn)品”還有多少進(jìn)步空間。
——鄭賢玲
?能源級(jí)電解槽是傳統(tǒng)電解槽的升級(jí)版
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：電解槽原來是一個(gè)非常冷門的行業(yè)，現(xiàn)在市場(chǎng)突然爆發(fā)，產(chǎn)能規(guī)模集聚上升，技術(shù)創(chuàng)新也層出不窮。作為國內(nèi)電極行業(yè)的成熟企業(yè)，保時(shí)來面臨怎樣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)？
保時(shí)來：對(duì)我們來說肯定是迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。作為大型制氫項(xiàng)目的首選技術(shù)路線，堿性電解水是目前發(fā)展最為成熟且商業(yè)化程度最高的制氫技術(shù)。其中，電極作為電解水裝置的核心材料之一，占電解槽成本15%-25%左右，是決定電解槽制氫效率和能耗的關(guān)鍵。
因?yàn)?span style="font-size: 15px; letter-spacing: 0.578px; text-wrap: wrap;">保時(shí)來在電極行業(yè)有一定的技術(shù)積累和基礎(chǔ)業(yè)績，我們算是有準(zhǔn)備的企業(yè)，所以，也獲得了較多的訂單。但我們所面臨的挑戰(zhàn)也非常多：
首先是用于能源市場(chǎng)的電解槽無論設(shè)備的電解容量還是工況環(huán)境都與傳統(tǒng)電解槽要求不同，電解槽原有的產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)不足以滿足能源級(jí)產(chǎn)品的要求，過去200Nm3/h的電解槽就可以滿足需要，現(xiàn)在的綠電項(xiàng)目的電解槽達(dá)到1000Nm3/h以上；過去的電解槽都是在穩(wěn)定電源下運(yùn)行，現(xiàn)在電解槽的功能是解決可再生能源的消納問題，需要在離網(wǎng)和波動(dòng)電源的環(huán)境運(yùn)行，這都給電極帶來技術(shù)上的挑戰(zhàn)。
其次是行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了變化，過去電解槽企業(yè)只有6-7家，電極企業(yè)2-3家，現(xiàn)在電解槽企業(yè)近200家，電極企業(yè)也增加了不少，部分電解槽企業(yè)也在投資電極的研發(fā)與產(chǎn)能，公司迎來發(fā)展的新機(jī)遇也面臨更大的壓力。
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：保時(shí)來看起來很年輕，為什么在這個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)品上會(huì)占有先機(jī)？
保時(shí)來：保時(shí)來成立于2022年，的確還很年輕，但公司核心團(tuán)隊(duì)和技術(shù)可溯源至一家1964年成立的臺(tái)灣企業(yè)， 是全亞洲首批開展表面增材業(yè)務(wù)（熱噴涂等）的廠；2021年在常熟投資電極產(chǎn)線，并改制成現(xiàn)在的公司。所以，公司在噴涂工藝上有很深的積累，也伴隨國內(nèi)電解成長了20多年，對(duì)堿性電解槽有較深的理解。
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：為什么成熟的電解槽在電氫耦合運(yùn)行中達(dá)不到預(yù)期？電解槽早期產(chǎn)品和市場(chǎng)存在哪些局限性？
保時(shí)來：20年前國內(nèi)堿性電解水制氫電解槽開始使用雷尼鎳催化電極時(shí)，對(duì)電極的要求只有每平方米增重240~300克和電極卷曲成卷運(yùn)輸時(shí)催化涂層不脫落，再無其他要求。但隨著堿性電解水制氫的大規(guī)模發(fā)展，市場(chǎng)不僅對(duì)于電解槽的能耗、成本以及穩(wěn)定性提出了更高的要求，同樣對(duì)于電極也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。
過去，電解槽多數(shù)使用電網(wǎng)供電進(jìn)行電解水制氫用于半導(dǎo)體、醫(yī)藥、軍工等高價(jià)值項(xiàng)目，因此對(duì)于制氫的效率、成本關(guān)注度較低，對(duì)于作為關(guān)鍵零部件的電極關(guān)注度甚少。加之電解槽本身市場(chǎng)容量小，對(duì)電極的研究和投入和關(guān)注度就更少。也因此在過去的20余年，電極的技術(shù)迭代、質(zhì)量及穩(wěn)定性方面，幾乎沒有太大的發(fā)展。
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：作為能源設(shè)備的電解槽除了規(guī)模和成本上的要求以外，技術(shù)指標(biāo)上有哪些變化？具體到電極上的要求怎樣？
保時(shí)來：能源級(jí)電解槽對(duì)使用壽命、電流密度、設(shè)備穩(wěn)定性都提出了更高的要求，是傳統(tǒng)電解槽的升級(jí)版。電極的活性、穩(wěn)定性以及一致性與電極的制造過程息息相關(guān)。高質(zhì)量的電極產(chǎn)品除了電極廠家嚴(yán)格品控和電解槽應(yīng)用商家的監(jiān)督外，還應(yīng)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為電極產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用提供工藝流程、操作規(guī)程、質(zhì)量控制要求等規(guī)范內(nèi)容。
堿水電解電極目前以編織鎳網(wǎng)、拉伸鎳網(wǎng)以及泡沫鎳為主，其中編織鎳網(wǎng)占據(jù)了90%以上。為了進(jìn)一步增加電極的催化活性，會(huì)在編織鎳網(wǎng)表面增加額外的涂層，提高比表面積和本征催化活性。
目前商用電極的活性涂層主要以熱噴涂、電鍍/化學(xué)鍍以及熱分解等工藝為主，大型綠氫項(xiàng)目中通常選擇經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證的熱噴涂Ni/Al 涂層，其全產(chǎn)業(yè)鏈制造過程包括鎳絲制備（拉絲過程）、編織、涂層噴涂、活化、切割等。
? 過渡時(shí)期面臨的挑戰(zhàn)與問題
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：從當(dāng)前投運(yùn)的項(xiàng)目來看，我們以為成熟的堿性電解槽似乎沒有想象中那么順利，這當(dāng)然有來自波動(dòng)電源的問題，也需要電力電子特別是智能電網(wǎng)技術(shù)水平的提升。我們可以將電力電子系統(tǒng)看作是軟件，對(duì)于系統(tǒng)的硬件設(shè)備電解槽目前對(duì)波動(dòng)電源的適應(yīng)性和產(chǎn)品使用壽命似乎都達(dá)不到預(yù)期的水平，具體到電極產(chǎn)品上，主要存在哪些問題？
保時(shí)來：我們可以認(rèn)為現(xiàn)在是從傳統(tǒng)電解槽到能源級(jí)電解槽的過渡階段，也就是說還達(dá)不到能源級(jí)電解槽的要求。隨著堿性電解水制氫技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)電解槽及其核心部件——電極的穩(wěn)定性和性能要求顯著提升。當(dāng)前，電極面臨的技術(shù)問題主要集中在編制網(wǎng)、催化層、和電極的性能上。
在抗波動(dòng)性方面，以前的電極確實(shí)考慮得比較少。特別是在電解槽停機(jī)后產(chǎn)生的逆向電流，對(duì)電極的沖擊非常大。在研發(fā)方面，我們也特別關(guān)注到了這一點(diǎn)，因此我們近兩年開發(fā)電極，還專門研究了一套評(píng)測(cè)電極抗波動(dòng)性的方法，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)室級(jí)的，一個(gè)是中試平臺(tái)測(cè)試方法。因此我們研發(fā)的保時(shí)來5代電極，還有近期未推出市場(chǎng)的新的兩款產(chǎn)品的抗逆向電流沖擊能力都非常優(yōu)異，甚至在逆向電流的沖擊下，性能會(huì)向好的趨勢(shì)發(fā)展。
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：這些都是技術(shù)層面的問題，還需要請(qǐng)您做一些專業(yè)介紹，原有的編織網(wǎng)主要存在什么問題？
保時(shí)來：編織網(wǎng)的材料、力學(xué)性能對(duì)于電極的穩(wěn)定使用具有重要意義。編織鎳絲的力學(xué)性能要求是編織網(wǎng)加工、電極裝配、電解槽穩(wěn)定運(yùn)行的保證。編織鎳絲的強(qiáng)度低易造成編織、裝配和實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷絲、破洞等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致刺穿隔膜、引起氫氧互串等風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)編制網(wǎng)的編織型式、厚度、目數(shù)、比重、外觀缺陷等作詳細(xì)規(guī)定。
圖1 編織網(wǎng)編織型式（左：平紋編織，右：斜紋編織）
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：?催化劑也是影響電解槽活性的關(guān)鍵材料，電極的催化涂層存在哪些問題？
保時(shí)來：電極的催化涂層是電極催化反應(yīng)的活性中心，催化涂層的成分、結(jié)構(gòu)和制備工藝直接決定了電極的催化活性和壽命。
涂層的化學(xué)成分及相結(jié)構(gòu)基本決定了本征催化活性。商用的雷尼鎳主要以鎳為主要相，并含有少量鋁殘留相，其中鎳為活性物質(zhì)，鋁為造孔犧牲劑。市場(chǎng)上目前出現(xiàn)了很多通過添加其他過渡金屬或貴金屬，如鉬、鈷、鐵、鉑、釕等能夠提高催化劑的本征活性，但添加金屬元素的溶出及多相金屬間的電偶腐蝕問題亟待解決。
涂層的微觀結(jié)構(gòu)直接影響電極的性能與穩(wěn)定性。通過合理制備涂層微結(jié)構(gòu)能夠調(diào)控電極的比表面和表面能，對(duì)提高電極的電化學(xué)活性具有重要意義。涂層的微結(jié)構(gòu)對(duì)性能與穩(wěn)定性的影響往往存在著矛盾：提高涂層的比表面積通常會(huì)降低涂層的穩(wěn)定性。因此，尋求活性與穩(wěn)定性的平衡點(diǎn)是商用電極微結(jié)構(gòu)調(diào)控的最終目標(biāo)。
涂層的制備工藝不僅僅會(huì)影響催化層的相組成和微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度具有更大的影響作用。涂層的結(jié)合強(qiáng)度是評(píng)價(jià)涂層耐久性重要的指標(biāo)之一，涂層的脫落會(huì)導(dǎo)致電解槽能耗的急劇上升，同時(shí)脫落的顆粒還會(huì)引發(fā)一系列短路、氣液道阻塞等風(fēng)險(xiǎn)。電極的規(guī)?；苽溥€要求涂層的制備工藝具有極強(qiáng)的可重復(fù)性，需要保證涂層具有宏觀及微觀上的均勻性。
左：電極涂層具有宏觀均一性；中：涂層具有微觀均一性；右：涂層發(fā)生微觀脫落、裸露基底現(xiàn)象
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：材料與結(jié)構(gòu)問題體現(xiàn)電極性能上會(huì)有怎樣的表現(xiàn)呢？
保時(shí)來：電極的性能包括電極的催化活性及穩(wěn)定性。電極的性能是電極材料的成分、結(jié)構(gòu)、制備工藝和質(zhì)量品控的綜合體現(xiàn)。早期應(yīng)用的雷尼鎳電極性能較為一般，電解能耗通常大于4.5 kWh/Nm3 H2。
降低電解水的能耗除了電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以充分發(fā)揮電極性能外，最根本途徑在于提高電極的催化活性和穩(wěn)定性，需要從材料、工藝、品控等諸多方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和嚴(yán)格規(guī)范，以滿足大規(guī)模制氫的需求。
電極性能的驗(yàn)證是復(fù)雜且系統(tǒng)性的問題，受測(cè)試手段、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等諸多因素影響。
無論對(duì)于新電極的開發(fā)還是電解槽商的選擇應(yīng)用，如何科學(xué)、公正、全方面的評(píng)價(jià)一款電極是目前存在的最大問題。然而，由于綠氫市場(chǎng)的活躍，部分激進(jìn)廠家在電極尚缺乏嚴(yán)格驗(yàn)證或自身并不具備驗(yàn)證的前提下，將產(chǎn)品投向市場(chǎng)，這對(duì)于綠氫行業(yè)的發(fā)展十分不利。
? 應(yīng)對(duì)策略及對(duì)能源級(jí)電解槽的展望
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：面對(duì)行業(yè)存在的問題，作為國內(nèi)電極龍頭企業(yè)，保時(shí)來將怎樣解決這些問題？
保時(shí)來：首先是將安全生產(chǎn)放在最首要的位置，阻止不合格的產(chǎn)品流入市場(chǎng)，降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
其次是制定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范行業(yè)的健康運(yùn)行。保時(shí)來新材料等企業(yè)積極牽頭，聯(lián)合多方力量，共同制定了《堿性水電解制氫編織網(wǎng)電極技術(shù)規(guī)范》，為行業(yè)提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。該規(guī)范從鎳網(wǎng)編織、催化涂層制備、催化劑選擇、催化層結(jié)合力、性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量管理體系等多個(gè)維度進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，旨在推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品升級(jí)。
其三，產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新，保時(shí)來在保持原有涂層工藝優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上不斷在材料、工藝上創(chuàng)新，做到生產(chǎn)一代、儲(chǔ)備一代、研發(fā)一代。我們投入了大量的研發(fā)工藝和試驗(yàn)設(shè)備。同時(shí)，加強(qiáng)行業(yè)協(xié)作與技術(shù)交流，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合，也將是推動(dòng)電解水制氫技術(shù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。
其四，與電解槽整機(jī)和電源企業(yè)建立聯(lián)合研發(fā)的體系，根據(jù)實(shí)際工況和設(shè)備類型研究滿足不同環(huán)境下和不同規(guī)格的產(chǎn)品，從做產(chǎn)品到做解決問題的“專家”。
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：“電氫耦合”是在可再生能源消納上長出的新產(chǎn)業(yè)，雖然電解槽、電力系統(tǒng)、化工看起來是一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)，但將這些產(chǎn)品和系統(tǒng)整合到一起還需要解決很多問題，既需要各個(gè)環(huán)節(jié)的有效配合，也需要產(chǎn)品和解決方案的創(chuàng)新與突破。面對(duì)電解槽新的應(yīng)用場(chǎng)景，保時(shí)來在電極產(chǎn)品上有哪些創(chuàng)新？
保時(shí)來：電解槽過去的制造是小規(guī)模制造，應(yīng)用是小規(guī)模生產(chǎn)，而且軍工、半導(dǎo)體、醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)Τ杀?/span>沒有那么敏感?，F(xiàn)在要做到能源級(jí)產(chǎn)品，不僅要面臨波動(dòng)的作業(yè)環(huán)境，而且還要考慮成本因素。但性能和成本又相互沖突，我們必須在產(chǎn)品的耐受度、催化活性和成本相互平衡中找出最佳方案，到現(xiàn)在已經(jīng)推出了多款電極產(chǎn)品：
BSL1.0、BSL4.0、BSL5.0等，BSL1.0電極是目前最穩(wěn)定的商用電極，BSL-4實(shí)現(xiàn)了使用非貴金屬催化劑達(dá)到貴金屬電極的活性的突破，BSL-5.0在活性與穩(wěn)定性的矛盾體中，找到了一個(gè)比較良好的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了商用電極的高效穩(wěn)定運(yùn)行。
另外，保時(shí)來電極結(jié)合電解槽的支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了新一代的柔性支撐一體化電極，現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)的乳突支撐結(jié)構(gòu)和板網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)，不僅優(yōu)化了電解槽流場(chǎng)，還實(shí)現(xiàn)了零極距的設(shè)計(jì)，從而在同等條件下降低了能耗、減少了小室數(shù)量，進(jìn)一步提升了電解槽的性能。
圖4?保時(shí)來三代產(chǎn)品
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：那么彈性結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的電極的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在哪些方面？
保時(shí)來：相對(duì)于傳統(tǒng)的乳突支撐結(jié)構(gòu)和板網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)，將柔性支撐結(jié)構(gòu)與電極一體化設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)彈力支撐結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)、支撐力分布等，能實(shí)現(xiàn)：
(1) 相對(duì)于乳突結(jié)構(gòu)，在不改變催化劑的情況下，小室電壓下降0.2-0.5mV；
(2) 能真正實(shí)現(xiàn)零級(jí)距；
(3) 不損傷隔膜；
(4) 電流分布均勻；
(5) 優(yōu)化流場(chǎng)，易于氣液流動(dòng)。
《產(chǎn)業(yè)觀察者》：您對(duì)行業(yè)未來有怎樣的預(yù)期？堿性電解槽還有多大的提升空間？
保時(shí)來：未來，隨著技術(shù)的不斷成熟和標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，堿性水電解制氫電極的性能將得到顯著提升，成本將進(jìn)一步降低，為氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，電極作為核心部件，其技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新將成為推動(dòng)整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關(guān)鍵力量，我們將在實(shí)踐中不斷優(yōu)化產(chǎn)品的性能，并相信電解槽能夠?qū)崿F(xiàn)能源級(jí)產(chǎn)品規(guī)模與成本的突破。
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