樊建涛：《PEM电解水制氢降本路径》

《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！

氢听剧场现场