碱性电解水制氢核心材料现状和发展

碱性电解水技术是历史最悠久、最成熟的制氢工艺，已经被广泛应用于海内外的大规模绿氢示范项目之中。目前碱性电解槽占据了整个电解水制氢领域超过90%的市场份额。2030年中国电解槽装机量可以达到100GW。但时至今日，碱性电解槽的上游技术仍有诸多亟待突破的瓶颈，隔膜是电解槽最重要的核心部件之一，而复合隔膜也是我国的卡脖子技术。能否把握住此次发展机遇，将看国内企业如何突破电解槽隔膜的技术瓶颈。

电解槽在电解过程中，阳极产生氧气，阴极产生氢气，隔膜为电解槽的重要部件，将气体隔开以防止氢气和氧气混合。亚化咨询《中国碱性电解水技术与市场年度报告2023》研究整理，适用于碱性电解槽的隔膜应具备以下要求:

（1）保证氢气和氧气分子不能通过隔膜,但允许电解液离子通过；

（2）能够耐高浓度碱液的腐蚀；

（3）具有较好的机械强度，能够长时间承受电解液和生成气体冲击，隔膜结构不被破坏；

（4）为降低电能损耗，隔膜必须要有较小的面电阻，因此隔膜孔隙率要尽可能高。

碱性电解槽的隔膜最早使用石棉隔膜，其主要成分是水合硅酸镁，优点是亲水性能极佳，还能够抑止氢氧根离子的反向扩散，但石棉的硬伤也很明显，其在高电流负荷下，会在碱性电解液中严重溶胀。这时，隔膜的力学强度就会下降，使用寿命会缩短，电流效率也明显衰退。而让石棉隔膜退出市场的真正原因，则是石棉本身为一级致癌物的缘故，国内已全面禁止使用石棉以及相关的产品。

取而代之的是聚苯硫醚PPS隔膜，聚苯硫醚PPS是一种高性能的特种工程塑料，能在碱液条件和高温条件下保持性能稳定，因此被用来制备碱性电解槽隔膜。另外科研院所研发的重点隔膜还有聚四氟乙烯树脂隔膜、聚醚醚酮纤维隔膜、聚砜纤维隔膜等。中国碱性电解槽企业使用PPS隔膜居多，PPS的优势在于耐热性能比优异、机械强度高、耐腐蚀性强、电性能优良等，弊端则是亲水性太弱，由于PPS亲水性差，电解液不能充分进入到隔膜孔隙中，在电解过程中隔膜表面出现微小气泡聚集的现象，这些现象会增加隔膜电阻，导致能耗增加，降低制氢效率。

PPS隔膜

为解决PPS隔膜亲水性弱的问题并降低隔膜电耗，一种在PPS隔膜上涂覆二氧化锆等陶瓷涂层的复合膈膜被研制出来，构成一种类似三明治的复合结构。二氧化锆和能有效提高隔膜的亲水性和与电解液的相容性，降低内阻和电耗。同时，采用复合隔膜可将隔膜厚度从700微米减少至500微米，实现更高的电流密度和更低的能耗。

全球范围内的第三代优质碱性隔膜，被欧洲材料科技巨头爱克发（Agfa）垄断。该公司生产的复合隔膜，凭借耐用性和持续的高生产率，受到了电解槽制造商和制氢项目所有者的青睐，爱克发的ZIRFON H2复合隔膜牢牢占据了国外碱性隔膜95%以上的市场份额。国内近年也有所突破，碳能科技(北京)有限公司（以下简称“碳能科技”）是国内较早从事制氢复合隔膜的研究并实现大规模工业化生产及商业化的企业。碳能科技的新型无机一有机复合隔膜，是由陶瓷粉体和支撑体组成。复合隔膜表面纳米多孔，内部为微米孔道结构,阻断氢气穿越能力强，同时透过电解液离子，具有永久亲水性,与进口隔膜性能相当,具有较好的电解性能和使用寿命。目前复合隔膜最大宽幅可达2米,可以满足大型电解槽尺寸需求，解决了碱性电解水制氢关键材料隔膜“卡脖子”问题。

碳能科技复合隔膜

2023年3月，碳能科技西安工厂的第三代碱水制氢复合隔膜首条量产级、标准化产线建成并顺利投产，首款TN-ICM500系列产品复合隔膜质量批次稳定，已完成多笔订单交付，实现了自主化制造，解决了依赖进口、成本昂贵等卡脖子瓶颈。此次投产TN-ICM500复合隔膜可以与商业RaneyNi网电极搭配使用，小室电位1.80V时（直流能耗4.3度/Nm³H₂），电流密度可达4000-5000A/m²，与高活性电极组合搭配使用，可使电流密度达10000A/m²以上，助力碱性电解槽实现“高效率、低能耗、轻量化”，可有效提高制氢企业电解效率并降低平准化制氢成本（LCOH）。此复合隔膜具有隔气、亲水、内阻低等特征，直流能耗降低10%以上。

碳能科技顺应氢能发展需求，提前布局，践行“崇尚科技、追求源头创新”的发展理念。未来，公司将发挥电化学领域研发优势，致力于更高性能复合隔膜产品的研制和生产，并协同电极材料和电解槽槽体相关企业合作创新，共同探索碱性电解槽性能极限，为中国双碳事业贡献碳能智慧。

绿氢爆发带动碱性电解槽起势，同时使上游隔膜企业带来景气，迎来发展机遇。巨大的隔膜市场需求必将促进水电解制氢技术的迭代升级。目前复合隔膜正逐步实现大批量生产，卡脖子技术正逐步被攻破，隔膜成本将会进一步降低，国产化占有率会进一步提高。