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新能源及节能技术

需求背景

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，兼有工业原料和能源产品的双重属性，对构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现双碳目标具有重要意义。

近几年国家加大了在氢能产业的顶层设计。《氢能产业发展中长期规划》提出了氢能产业发展目标：到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，可再生能源制氢量达到10~20万吨/年，实现二氧化碳减排100~200万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑碳达峰目标实现。到2035年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。

电解水制氢是可再生能源制氢系统中最重要组成部分。目前成熟的、可规模化的电解水制氢方式有碱性电解水制氢和质子交换膜（PEM）电解水制氢两种，对应的设备是碱性电解槽和PEM电解槽。因碱性电解槽具有成本低、使用寿命长、技术更成熟的优势，在国内制氢设备中占比95%以上。

制氢隔膜作为碱性电解槽关键材料之一，具有导通离子、阻隔气体的功能，对碱性电解槽的能耗、安全性能具有决定性影响。目前国内碱性电解槽中普遍使用的是第二代PPS编织布隔膜，存在能耗高、电流密度低、阻隔气体性能差的缺点；欧美等国家使用的是第三代制制氢隔膜，具有低能耗、高电流密度、阻隔气体性能好的优点，是国内第二代PPS编织布隔膜的理想替代品。在“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”18个重点专项中，要求开发第三代制氢隔膜代替目前的第二代PPS编织布隔膜。

第三代碱性制氢隔膜的代表产品是比利时AGFA公司生产Zirfon隔膜，其特征是在平网基膜上涂覆亲水性无机-有机复合涂层，涂层具有多孔型结构。Zirfon隔膜能够应用于低槽电压、高电流密度的电解槽，实用性能远超第二代PPS编织布隔膜；售价远远高于第二代隔膜，且交货时间半年以上，在国内普及率较低。基于Zirfon系列隔膜优异的性能，该结构的隔膜近几年成为国内电解水制氢领域研究热点，但是由于存在技术壁垒，至今未有国产第三代制氢隔膜上市。

第三代碱性制氢隔膜开发的意义在于：通过开发新型制氢隔膜，攻克“卡脖子”技术难题，形成自主可控的隔膜产业湖技术,打破国外产品的技术垄断，填补国内市场空白，降低制氢隔膜价格和缩短采购周期，有利于促进碱性电解水制氢领域健康、稳定发展，有利于推动我国双碳目标的实现。

需解决的主要技术难题

研究开发第三代碱性制氢隔膜，使其达到具有优异的低电阻性能和高气体密封性能，需要进行多方面技术研究开发。研究内容包括：高电解效率隔膜涂层配方及工艺的开发、高粘度涂布液分散/过滤技术的开发、高粘度涂布液涂布装备与工艺技术的开发。

1、高电解效率隔膜涂层配方及工艺的开发

本项目开发的制氢隔膜的材料结构是在平网基膜上涂布功能涂层,涂层的电阻性能和气密性决定了隔膜的电解效率。涂层配方和工艺是本项目的研究核心。需要对涂层液中亲水性无机颗粒、成膜树脂、助剂的匹配性进行研究，以便提高隔膜的孔隙率，降低隔膜涂层面电阻；同时需要对凝固浴体系中的溶剂成分、比例以及凝固浴的温度、气/液相转化速度等参数进行研究，使相转化过程中形成致密表面涂层，提高隔膜的气体阻隔能力，减少电槽内部气体渗透互混，提高气体纯度。

2、高粘度涂布液分散/过滤技术的开发

本项目涂布液含有聚砜树脂，粘度高达5Pa·s以上，常规的物理研磨工艺无法完成高粘度溶液中无机颗粒细度达到小于1微米的要求，因此需要开发高能量球磨技术、高剪切分散技术、负压消泡技术、正压过滤技术结合共同完成本项目涂布液的制备工艺。

3、高粘度涂布液涂布装备与工艺技术的开发

由于本项目涂布液粘度高达5Pa·S，为了能够达到在基膜两侧均匀地、对称地涂布高粘度涂布液，需要开发能够实现高粘度涂布液均匀涂布的设备装置与涂布工艺技术。

期望实现的主要技术目标

达成以下技术指标：

1、厚度：500±50μm
2、颜色：白色
3、重量密度：31±0.2 g/cm
4、最高工作温度：110℃
5、尺寸稳定性：＜1.5%
6、孔隙率：55±10 %
7、泡点压力：2±1 巴
8、面电阻（30℃，30%KOH）：20.3±0.1  Ω·cm

需求解析

解析单位：河北省保定市 解析时间：2023-12-20

涂媛

保定市知识产权协会

部长

综合评价

此需求描述已足够清晰，需要解决如下问题: 1、高电解效率隔膜涂层配方及工艺的开发 本项目开发的制氢隔膜的材料结构是在平网基膜上涂布功能涂层,涂层的电阻性能和气密性决定了隔膜的电解效率。涂层配方和工艺是本项目的研究核心。需要对涂层液中亲水性无机颗粒、成膜树脂、助剂的匹配性进行研究，以便提高隔膜的孔隙率，降低隔膜涂层面电阻；同时需要对凝固浴体系中的溶剂成分、比例以及凝固浴的温度、气/液相转化速度等参数进行研究，使相转化过程中形成致密表面涂层，提高隔膜的气体阻隔能力，减少电槽内部气体渗透互混，提高气体纯度。 2、高粘度涂布液分散/过滤技术的开发 本项目涂布液含有聚砜树脂，粘度高达5Pa·s以上，常规的物理研磨工艺无法完成高粘度溶液中无机颗粒细度达到小于1微米的要求，因此需要开发高能量球磨技术、高剪切分散技术、负压消泡技术、正压过滤技术结合共同完成本项目涂布液的制备工艺。

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