在全球面临气候变化、地缘政治、经济增长乏力的共同遭遇下，能源转型不仅被视为解决气候变化和政治冲突最好的路径，也成为世界经济增长新动力，“碳达峰，碳中和”成为全球最大的共识。
但可再生能源天生的不稳定又为持续发展带来挑战，储能、氢能被付以重任，电解槽这个作坊式小规模制造产品突然变得高大上起来。然而，成熟产品遇到新增市场似乎并没有让业内人士可以坐享其成，产能扩张十倍于市场需求，使得这个行业的竞争变得异常激烈。
如何在行业快速发展中保持竞争力，在行业恶性竞争中提升客户依赖度？在躁动的市场中保持定力？这是电解槽产业链企业面临的现实问题。
这一次，我们以“成熟产品”碱性电解槽的核心零部件——电极企业为视角，对国内龙头企业保时来团队作访谈，核心是看“成熟产品”还有多少进步空间。
——郑贤玲
能源级电解槽是传统电解槽的升级版
《产业观察者》：电解槽原来是一个非常冷门的行业，现在市场突然爆发，产能规模集聚上升，技术创新也层出不穷。作为国内电极行业的成熟企业，保时来面临怎样的机遇与挑战？
保时来：对我们来说肯定是迎来巨大的发展机遇。作为大型制氢项目的首选技术路线，碱性电解水是目前发展最为成熟且商业化程度最高的制氢技术。其中，电极作为电解水装置的核心材料之一，占电解槽成本15%-25%左右，是决定电解槽制氢效率和能耗的关键。
因为保时来在电极行业有一定的技术积累和基础业绩，我们算是有准备的企业，所以，也获得了较多的订单。但我们所面临的挑战也非常多：
首先是用于能源市场的电解槽无论设备的电解容量还是工况环境都与传统电解槽要求不同，电解槽原有的产品和经验不足以满足能源级产品的要求，过去200Nm³/h的电解槽就可以满足需要，现在的绿电项目的电解槽达到1000Nm³/h以上；过去的电解槽都是在稳定电源下运行，现在电解槽的功能是解决可再生能源的消纳问题，需要在离网和波动电源的环境运行，这都给电极带来技术上的挑战。
其次是行业竞争格局发生了变化，过去电解槽企业只有6-7家，电极企业2-3家，现在电解槽企业近200家，电极企业也增加了不少，部分电解槽企业也在投资电极的研发与产能，公司迎来发展的新机遇也面临更大的压力。
《产业观察者》：保时来看起来很年轻，为什么在这个传统产品上会占有先机？
保时来：保时来成立于2022年，的确还很年轻，但公司核心团队和技术可溯源至一家1964年成立的台湾企业， 是全亚洲首批开展表面增材业务（热喷涂等）的厂；2021年在常熟投资电极产线，并改制成现在的公司。所以，公司在喷涂工艺上有很深的积累，也伴随国内电解成长了20多年，对碱性电解槽有较深的理解。
《产业观察者》：为什么成熟的电解槽在电氢耦合运行中达不到预期？电解槽早期产品和市场存在哪些局限性？
保时来：20年前国内碱性电解水制氢电解槽开始使用雷尼镍催化电极时，对电极的要求只有每平方米增重240~300克和电极卷曲成卷运输时催化涂层不脱落，再无其他要求。但随着碱性电解水制氢的大规模发展，市场不仅对于电解槽的能耗、成本以及稳定性提出了更高的要求，同样对于电极也提出了更高的标准。
过去，电解槽多数使用电网供电进行电解水制氢用于半导体、医药、军工等高价值项目，因此对于制氢的效率、成本关注度较低，对于作为关键零部件的电极关注度甚少。加之电解槽本身市场容量小，对电极的研究和投入和关注度就更少。也因此在过去的20余年，电极的技术迭代、质量及稳定性方面，几乎没有太大的发展。
《产业观察者》：作为能源设备的电解槽除了规模和成本上的要求以外，技术指标上有哪些变化？具体到电极上的要求怎样？
保时来：能源级电解槽对使用寿命、电流密度、设备稳定性都提出了更高的要求，是传统电解槽的升级版。电极的活性、稳定性以及一致性与电极的制造过程息息相关。高质量的电极产品除了电极厂家严格品控和电解槽应用商家的监督外，还应有统一的技术标准，为电极产品大规模应用提供工艺流程、操作规程、质量控制要求等规范内容。
碱水电解电极目前以编织镍网、拉伸镍网以及泡沫镍为主，其中编织镍网占据了90%以上。为了进一步增加电极的催化活性，会在编织镍网表面增加额外的涂层，提高比表面积和本征催化活性。
目前商用电极的活性涂层主要以热喷涂、电镀/化学镀以及热分解等工艺为主，大型绿氢项目中通常选择经过长时间运行验证的热喷涂Ni/Al 涂层，其全产业链制造过程包括镍丝制备（拉丝过程）、编织、涂层喷涂、活化、切割等。
过渡时期面临的挑战与问题
《产业观察者》：从当前投运的项目来看，我们以为成熟的碱性电解槽似乎没有想象中那么顺利，这当然有来自波动电源的问题，也需要电力电子特别是智能电网技术水平的提升。我们可以将电力电子系统看作是软件，对于系统的硬件设备电解槽目前对波动电源的适应性和产品使用寿命似乎都达不到预期的水平，具体到电极产品上，主要存在哪些问题？
保时来：我们可以认为现在是从传统电解槽到能源级电解槽的过渡阶段，也就是说还达不到能源级电解槽的要求。随着碱性电解水制氢技术的大规模商业化应用，市场对电解槽及其核心部件——电极的稳定性和性能要求显著提升。当前，电极面临的技术问题主要集中在编制网、催化层、和电极的性能上。
在抗波动性方面，以前的电极确实考虑得比较少。特别是在电解槽停机后产生的逆向电流，对电极的冲击非常大。在研发方面，我们也特别关注到了这一点，因此我们近两年开发电极，还专门研究了一套评测电极抗波动性的方法，一个是实验室级的，一个是中试平台测试方法。因此我们研发的保时来5代电极，还有近期未推出市场的新的两款产品的抗逆向电流冲击能力都非常优异，甚至在逆向电流的冲击下，性能会向好的趋势发展。
《产业观察者》：这些都是技术层面的问题，还需要请您做一些专业介绍，原有的编织网主要存在什么问题？
保时来：编织网的材料、力学性能对于电极的稳定使用具有重要意义。编织镍丝的力学性能要求是编织网加工、电极装配、电解槽稳定运行的保证。编织镍丝的强度低易造成编织、装配和实际运行过程中出现断丝、破洞等现象，这些现象会导致刺穿隔膜、引起氢氧互串等风险。因此，需要对编制网的编织型式、厚度、目数、比重、外观缺陷等作详细规定。
图1 编织网编织型式（左：平纹编织，右：斜纹编织）
《产业观察者》： 催化剂也是影响电解槽活性的关键材料，电极的催化涂层存在哪些问题？
保时来：电极的催化涂层是电极催化反应的活性中心，催化涂层的成分、结构和制备工艺直接决定了电极的催化活性和寿命。
涂层的化学成分及相结构基本决定了本征催化活性。商用的雷尼镍主要以镍为主要相，并含有少量铝残留相，其中镍为活性物质，铝为造孔牺牲剂。市场上目前出现了很多通过添加其他过渡金属或贵金属，如钼、钴、铁、铂、钌等能够提高催化剂的本征活性，但添加金属元素的溶出及多相金属间的电偶腐蚀问题亟待解决。
涂层的微观结构直接影响电极的性能与稳定性。通过合理制备涂层微结构能够调控电极的比表面和表面能，对提高电极的电化学活性具有重要意义。涂层的微结构对性能与稳定性的影响往往存在着矛盾：提高涂层的比表面积通常会降低涂层的稳定性。因此，寻求活性与稳定性的平衡点是商用电极微结构调控的最终目标。
涂层的制备工艺不仅仅会影响催化层的相组成和微观结构，对涂层与基底的结合强度具有更大的影响作用。涂层的结合强度是评价涂层耐久性重要的指标之一，涂层的脱落会导致电解槽能耗的急剧上升，同时脱落的颗粒还会引发一系列短路、气液道阻塞等风险。电极的规模化制备还要求涂层的制备工艺具有极强的可重复性，需要保证涂层具有宏观及微观上的均匀性。
左：电极涂层具有宏观均一性；中：涂层具有微观均一性；右：涂层发生微观脱落、裸露基底现象
《产业观察者》：材料与结构问题体现电极性能上会有怎样的表现呢？
保时来：电极的性能包括电极的催化活性及稳定性。电极的性能是电极材料的成分、结构、制备工艺和质量品控的综合体现。早期应用的雷尼镍电极性能较为一般，电解能耗通常大于4.5 kWh/Nm3 H2。
降低电解水的能耗除了电解槽结构设计优化以充分发挥电极性能外，最根本途径在于提高电极的催化活性和稳定性，需要从材料、工艺、品控等诸多方面进行设计优化和严格规范，以满足大规模制氢的需求。
电极性能的验证是复杂且系统性的问题，受测试手段、结构设计等诸多因素影响。
无论对于新电极的开发还是电解槽商的选择应用，如何科学、公正、全方面的评价一款电极是目前存在的最大问题。然而，由于绿氢市场的活跃，部分激进厂家在电极尚缺乏严格验证或自身并不具备验证的前提下，将产品投向市场，这对于绿氢行业的发展十分不利。
应对策略及对能源级电解槽的展望
《产业观察者》：面对行业存在的问题，作为国内电极龙头企业，保时来将怎样解决这些问题？
保时来：首先是将安全生产放在最首要的位置，阻止不合格的产品流入市场，降低设备运行风险。
其次是制定标准，规范行业的健康运行。保时来新材料等企业积极牵头，联合多方力量，共同制定了《碱性水电解制氢编织网电极技术规范》，为行业提供了标准依据和技术指导。该规范从镍网编织、催化涂层制备、催化剂选择、催化层结合力、性能评价标准、质量管理体系等多个维度进行了详细规定，旨在推动行业技术进步和产品升级。
其三，产品的持续创新，保时来在保持原有涂层工艺优势的基础上不断在材料、工艺上创新，做到生产一代、储备一代、研发一代。我们投入了大量的研发工艺和试验设备。同时，加强行业协作与技术交流，促进产学研用深度融合，也将是推动电解水制氢技术持续发展的关键。
其四，与电解槽整机和电源企业建立联合研发的体系，根据实际工况和设备类型研究满足不同环境下和不同规格的产品，从做产品到做解决问题的“专家”。
《产业观察者》：“电氢耦合”是在可再生能源消纳上长出的新产业，虽然电解槽、电力系统、化工看起来是一个成熟的产业，但将这些产品和系统整合到一起还需要解决很多问题，既需要各个环节的有效配合，也需要产品和解决方案的创新与突破。面对电解槽新的应用场景，保时来在电极产品上有哪些创新？
保时来：电解槽过去的制造是小规模制造，应用是小规模生产，而且军工、半导体、医药领域对成本没有那么敏感。现在要做到能源级产品，不仅要面临波动的作业环境，而且还要考虑成本因素。但性能和成本又相互冲突，我们必须在产品的耐受度、催化活性和成本相互平衡中找出最佳方案，到现在已经推出了多款电极产品：
BSL1.0、BSL4.0、BSL5.0等，BSL1.0电极是目前最稳定的商用电极，BSL-4实现了使用非贵金属催化剂达到贵金属电极的活性的突破，BSL-5.0在活性与稳定性的矛盾体中，找到了一个比较良好的平衡点，实现了商用电极的高效稳定运行。
另外，保时来电极结合电解槽的支撑结构，设计了新一代的柔性支撑一体化电极，现对于传统的乳突支撑结构和板网支撑结构，不仅优化了电解槽流场，还实现了零极距的设计，从而在同等条件下降低了能耗、减少了小室数量，进一步提升了电解槽的性能。
图4 保时来三代产品
《产业观察者》：那么弹性结构较传统的电极的优势主要表现在哪些方面？
保时来：相对于传统的乳突支撑结构和板网支撑结构，将柔性支撑结构与电极一体化设计，通过实验和数值模拟，设计弹力支撑结构三维结构、支撑力分布等，能实现：
(1) 相对于乳突结构，在不改变催化剂的情况下，小室电压下降0.2-0.5mV；
(2) 能真正实现零级距；
(3) 不损伤隔膜；
(4) 电流分布均匀；
(5) 优化流场，易于气液流动。
《产业观察者》：您对行业未来有怎样的预期？碱性电解槽还有多大的提升空间？
保时来：未来，随着技术的不断成熟和标准的逐步完善，碱性水电解制氢电极的性能将得到显著提升，成本将进一步降低，为氢能产业的规模化、商业化应用奠定坚实基础。在这个过程中，电极作为核心部件，其技术进步与创新将成为推动整个氢能产业链发展的关键力量，我们将在实践中不断优化产品的性能，并相信电解槽能够实现能源级产品规模与成本的突破。
原文始发于微信公众号（产业观察者）：企业访谈 | 保时来：满足能源级电解槽的要求，电极需要解决哪些问题？
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