保时来新材料张维涛：提升电极电流密度是制氢降本的一大突破点

保时来新材料张维涛：提升电极电流密度是制氢降本的一大突破点 | 势银氢燃年会

12月13日至15日，由世银（）主办的“2022世银氢能与燃料电池产业年会”在宁波泛太平洋大酒店隆重举行。

12月14日，在三一氢能源有限公司ALK关键制氢论坛上，保时捷拉新材料科技（苏州）有限公司创始人/总经理张伟涛发表了题为《碱性电解《水制氢电极——新型表面微纳复合织构技术》精彩演讲。

张伟涛表示，2022年将是氢能产业爆发年。 3月，国家能源局、国家发改委制定发布氢能产业中长期规划，明确2020年至2035年氢能发展规划战略，详细落实实施方案，这也是2022年氢能产业的关键爆发点。

目前国内最常用的制氢方法是利用甲醇、天然气、水煤气等石化副产品来制氢，但是这种制氢方法有一个非常大的痛点，那就是氢含量高。碳排放量; 因此，目前电解水制氢方式与可再生能源的结合，不仅实现了能源需求的新突破，也符合我国“3060碳达峰、碳中和”的国家战略。

碱性电解槽作为电解水制氢的主要设备之一，主要包括极板、电极、隔膜等关键部件。电极主要由阳极和阴极组成，利用不同的催化作用达到提高电流密度、降低运行成本、降低单位能耗等目标。

目前就电极而言，电流密度基本可以达到3000A/m²-3500A/m²左右。这是因为业内企业在电极研究上投入了大量资源，但仍存在不少问题。例如，在制备催化电极时，与负极层一起加热会导致电极变形，在此过程中很可能出现严重的穿孔和堵塞。如果发生穿孔，制氢过程中电流将无法流动；如果发生堵塞，孔现象会使氢气难以逸出，从而降低氢气产率。

另外，电极行业没有通用的执行标准，电极网片之间存在较大差异，如高温氧化、网片烧毁、表面涂层均匀性等，因此不少企业提出采用二元三元材料。减少能源消耗。但如何呢？只能添加部分贵金属，但贵金属成本较高，与低成本要求形成矛盾结构。因此，博斯塔新材料的选择从电极网的表面和形貌开始。

在介绍了氢能产业和电极产业的现状后，张伟涛接着介绍了博斯凯拉新材料目前的技术状况和产品情况。

张伟涛表示，博世莱新材料目前采用新型表面微米复合织构碱性水电解制氢电极网络制备技术，采用等离子弧进行等离子喷涂。这种喷涂技术也使用阴极和阳极，并在两者之间产生高电压。电流通过氩气和氦气产生等离子体状态（继气体、液体和固体之后的第四种状态）。

同时，气体中的质子与核外电子脱离，形成相同数量的带正电的离子和带负电的离子。此时会产生大量的热量。因此，在电极涂覆过程中，阳极和阴极之间可产生约20,000个。然后可以使用 K 温度的热量来熔化催化剂，然后将其喷射到电极网的主体上。

目前，BSL新材料主要销售三种形式的电极网，分别是：BSL1.0雷尼镍电极网、BSL2.0雷尼镍电极网、BSL3.0雷尼镍电极网。其中，BSL3.0雷尼镍电极网较BSL1.0雷尼镍电极网和BSL2.0雷尼镍电极网具有更均匀的形貌和增大的比表面积，有助于提高反应效率和产氢率。电极网络。

从电流密度来看，第三代电极网络的电流密度从2500A/m2到3000A/m2，再到6000A/m2左右。到第四代电极网络达到约8000A/m²-/m²的电流密度时，目前仍保持不变。时莱新材料已开始与高等院校合作开展相关研究工作。

单位能耗方面，第三代极网单位能耗由4.8kWh/Nm3、4.6kWh/Nm3下降至4.4kWh/Nm3。目前博彻新材最新成果可降低至4.2-4.0kWh/Nm3左右。从孔隙率来看，电极网的孔隙率越高，接触面积越大，后续的产氢率越高。

张伟涛表示，BSL1.0雷尼镍电极网使用的原料粉末是水雾化粉末。将所需催化剂原料加热熔化后，通过喷雾方式喷入水中，形成所需粒度的粉末。但这种水雾化粉有两个缺点：一是氧化率高，二是形貌不太好。如果形貌不好且不均匀，则难以控制表面涂层织构结构的形成。因此，新材料在第一代的基础上进行了更新迭代，应用于第二代产品——BSL2.0雷尼镍电极网。据悉，原料粉体的均匀度优于前者。

镍和铝是目前最常用的材料之一。在的第一代新材料产品中，它们的分布并不是特别均匀。这是因为镍和铝的熔点和密度有很大不同。因此，当送粉时，很容易变稀，而且在涂料中发生反应时，两者的分布会相对集中，不利于增加两者的表面积激活后。

第二代产品中镍、铝的分布比较均匀，夹杂物也更加细小。活化后的孔隙分布也比较均匀，这也是第二代产品的电流密度较第一代产品有所提高的原因。根本原因。

在第二代产品到第三代产品的迭代过程中，保时捷拉新材料开始研发工艺。前面提到了等离子喷涂技术。由于等离子体流体是多向流，将粉末注入等离子体流中会形成双向流，但与常用的水泵输送形成的双向流不同。这涉及到能量和质量。转换的原因是功率转换，即在将粉末注入等离子流的过程中，等离子流的热量传递给粉末，使其在飞行的同时熔化，最终形成均匀的涂层。

目前，很多公司都是从材料入手，看它的熔点，然后计算它的长度。不过，保时捷拉新材料已于2021年底开始编写相关软件编程，并花了一周的时间计算出相应的结构，即计算阴极和阳极中的等离子体温度分布以及火焰中的速度和流量分布枪。由于原料粉末在飞行时熔化，如果速度控制不好，粉末到达涂覆距离时可能没有完全熔化，或者已经熔化进入冷却阶段。这些都是不可控的条件，不利于涂层的形成。因素，所以速度和温度的结合也需要大量精确的计算。

张伟涛介绍，博斯切拉的新材料可以控制粉末在等离子火焰中的熔化过程。通过这种精确控制，可以制备出具有所需孔隙率的涂层，而孔隙率分布越高，所需的技术就越高。更好。

据了解，博舍尔新材料的三种形态的电极网络结构均为微米级结构。接下来，博舍尔新材料在微米级结构上进行迭代，进一步实现了微纳复合结构。目前，博舍拉新材料已开发出三项微纳复合材料结构指标：一是多孔形貌；二是微纳复合结构指标。二是森林形态；三是花椰菜形态。

这三种形貌均由微米结构中的纳米结构组成，可以增加电极表面积，使最终电流密度达到/m²。随后，张伟涛透露了上述微纳复合结构的实验室测试结果——目前已经达到8500A/m²，已经非常接近最终目标。可以说，从现有电极网络的4000A/m²到8000A/m²，这是一个非常了不起的突破，这将带来制氢成本的大幅降低，并可能最终达到客户最终的需求目标35元/公斤。甚至更低。

最后，张伟涛对博塞拉新材料进行了简要介绍。

保时捷拉新材料总公司成立于1964年，是最早从事表面喷涂增材制造的台湾企业。是亚洲第一家从事表面热喷涂添加剂的制造商。 2001年，率先开发碱性电解水电解槽。电极网络喷涂业务，并与竞立媒体合作开发电解网络应用； 2022年，为专注服务氢能产业，在常熟投资近亿元，已投产16条完全自主生产的生产线，成立宝时莱新材料科技（苏州）有限公司。

同时，为了达到质量稳定的目标，博斯凯拉新材料要求每个电极网在出货前都经过100%的检验，包括喷涂测试、活化测试、性能测试等，且喷涂工艺相同如焊接。它们都是特殊工艺，不像机器加工的产品具有可以检测的表面尺寸。因此，用新材料制备的每一个电极网都具有良好的平整度、堵孔率和表面状况。