三一集团布局氢能等领域，助力全球能源转型

三一集团布局氢能等领域，助力全球能源转型

近年来，全球能源需求呈现爆发式增长，不仅造成大量化石燃料消耗，还引发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，可再生能源成为未来主流能源。三一集团深刻理解能源格局变化，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。

氢能作为零碳能源载体，具有极高的能量密度（140MJ·kg-1），受到越来越多的关注。到2050年，全球20%的CO2减排可通过氢气替代实现，氢气消费将占世界能源市场的18%，其中利用可再生能源电解水生产的绿色氢气将占氢气总供应量的80%以上。

目前主流的电解制氢技术包括碱性水电解技术（ALK）、质子交换膜水电解技术（PEM）、固体氧化物水电解技术（SOEC）和阴离子交换膜水电解技术（AEM）。其中，我国碱性水电解设备在单罐大型化、设备成本低等方面优势明显，是规模化制氢项目的首选技术路线。三一氢能作为国内领先的电解器制造商，依托三一传统工程机械的领先技术，短短两年时间便拥有碱性电解器、PEM电解器等多款性能稳定的产品获得行业认可。

对于碱性电解器来说，电极和隔膜是影响电解器能耗的关键材料。因此高性能的电极和隔膜可以有效降低小室电压，从而提高电解效率、降低电耗、提高单电池产气量、增加电解器寿命。三一氢能早在创立之初就认识到核心材料的重要性，迅速建立了氢能实验室和20MW整机试验场地，为电解器关键材料的优化提供数据支持。

多种电极

碱性电解池内有多个室，每个室有两个电极，一个为阴极，一个为阳极，它们的形状一般与电解池的形状一致（通常为圆形），其几何面积等于电解池的有效面积。

（图：碱性电解池及电极示意图）

目前，市场上和研发中的碱性水电解制氢电极种类繁多：

性能最优的是贵金属（Pt、Pd、Ru等）电极，根据理论数据（氢吸附吉布斯自由能）可知，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De Nora公司采用混合贵金属氧化物涂层，通过热解沉积等方法将催化剂与基底材料结合在一起，制成贵金属电极。其公开发表的数据显示，在80℃碱溶液、2V电压下，电流密度可达900mA·cm-2，且能维持长期工作，电极性能衰减率仅为每年0.5%。该类电极已被实验和市场证明是当前最前沿的水分解催化材料。但由于其成本高、储量少，严重阻碍了它的大规模应用。

实验室研究的最新电极包括碳基电极、泡沫镍自生长电极、电沉积、水热涂覆等结构精确、催化位点可控的电极，其性能往往远超普通工业电极。然而，在稳定性测试中能达标的新材料却寥寥无几，许多电极制造工艺受限于工艺流程复杂难以规模化、新材料研发生产成本高等因素，难以大规模生产和应用。

非贵金属（Ni、Fe、Mo、Co等）电极在大型电解池中应用十分广泛，目前国内大型碱性电解池使用的电极多为热喷涂制备的雷尼镍电极，一般以镍网为基体，喷涂非贵金属高活性催化剂电极，喷涂电极在一定的小室电压下，能够表现出较高的电流密度，具有性价比高的特点。

随着电极性能的不断优化，需要进一步实现性价比，这就需要增加催化活性位点的数量和活性。需要在更微观的尺度上进行优化，如采用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多活性的催化剂电极，形成催化剂的多孔结构，进一步提高其比表面积，这样在给定的电池电压下有更多的位点参与水电解反应，电极性能将进一步提高。

（图：各种碱性电极制备示意图）

市面上的电极产品种类繁多，我们该如何选择最好的呢？

三一氢能的氢能实验室及试验场为电极优化提供了充足的数据支撑。三一氢能实验室对电极产品进行电位、结合强度、稳定性等多维度性能评估，并按照三一标准进行电极产品筛选。在实验室筛选阶段，初始性能优异但长期运行稳定性差或结合强度差的产品不优选；初始性能中等但长期运行性能好的产品不优选，会根据产品状况进行综合评估进行电极筛选。之后，将筛选出的电极在三一氢能长沙试验场的电解槽上进行槽试和运行，结合各工况实际运行情况，再次进行多维度评估对电极产品进行筛选，用事实和数据来论证，选出最优的电极产品。

能看到大局的横膈膜

对于高效可靠的碱性水电解系统，除了高活性的催化剂外，隔膜不仅起到隔离正负极、防止氢气和氧气混合的作用，还影响电解槽的能耗，是确保安全运行的关键材料。理想的隔膜材料应具有良好的离子导电性、低电阻率、高的气体阻隔性、较薄的厚度、较高的机械强度，以及在高温高浓度碱性电解液中的长期耐久性。

碱性水电解发展经历了三代：石棉隔膜、PPS隔膜、复合隔膜。

石棉隔膜是传统的碱性电解池隔膜，具有强度高、耐腐蚀、耐高温、亲水性好等优点，但因具有致癌性而被淘汰。

PPS隔膜具有耐热性好、机械强度高、电性能优良等特点，但由于亲水性差、厚度大（大于500μm）、通孔尺寸大，通常表现出较高的离子阻隔性和透气性，导致能耗高、易发生氢氧交联。一般可通过表面改性等方法提高其亲水性，但即使通过在表面偶联有机亲水基团来提高亲水性，其空气阻隔性差等问题仍难以彻底解决。

第三代隔膜是有机-无机复合隔膜，在PPS织物表面涂覆无机功能涂层，类似三明治结构，成为当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，不仅大大提高了亲水性和气体阻隔性，还降低了离子阻力和隔膜厚度。

（图：不同隔膜单体电解池水电解电压（4kA/m2））

目前，国内外复合隔膜在电解槽中已有成功的商业化应用，未来将在复合隔膜的基础上对隔膜所用材料进行开发，目标是开发出耐腐蚀性更强、抗氢氧交叉渗透性更强、离子电导率更高的隔膜，在最大限度保证氢气纯度的同时有效降低能耗。

三一氢能对于隔膜的选型，就像电极一样，有着严格的标准和流程。针对圆形电解槽中主流应用的PPS隔膜，三一氢能实验室拥有气密性、表面电阻等10余项性能检测能力，对PPS隔膜的性能进行综合评估。优化后，电解槽投入运行，以性能测试数据和实际运行数据作为评价标准，选出PPS产品。而对于复合隔膜，三一氢能有配套的方形电解槽产品。在复合隔膜的优化方面，结合实际使用情况，面对复合隔膜不耐磨、潮湿储存等独特条件，建立多种试验，选出安全可靠、操作简便的复合隔膜产品。

现有的碱性水电解制氢技术成熟度高、工艺简单、成本低廉，已在我国三北等地区大规模电解制氢项目中得到广泛应用。未来无论是新型电力系统的建设、急需大规模风电、太阳能消纳能力，还是化工、交通等领域低成本绿色氢气供应需求，电解槽都需要能够适应风电、太阳能等电源波动性。

但目前工业技术主要追求单罐制氢目标，进行类似改进，能够改善电流密度低、动态性能差等问题的技术进步相对有限。绿色电力生产绿氢的新需求对碱性水电解技术关键材料提出了更高的要求。碱性水电解电极与隔膜已成为未来工业应用研究和影响的主要方向之一，最终实现低成本高性能材料的生产与应用，实现真正的物有所值。

三一氢能对于电解器的发展方向有着清晰的认识，结合市场上不断优化的电极、隔膜产品，为氢能行业带来领先的电解器产品。

未来，三一氢能将继续围绕圆形罐体、方形罐体、质子交换膜罐体、BOP“3+1”技术路线，不断完善和强化一体化设计、材料研发、仿真分析、试验验证、电气控制、制造工艺、氢气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、行业组织等深化合作，共同谋求氢能装备高质量发展，为实现“双碳”目标贡献三一的力量和解决方案。