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PEM电解槽的降本途径

PEM（质子交换膜）电解槽是一种重要的电解水制氢技术，其成本结构决定了其商业化应用的可行性。为了降低PEM电解槽的整体成本，并提高其运行效率，主要的降本路径集中在以下几个方面：双极板、多孔传输层（PTL）、催化剂涂膜层，以及电堆堆栈的设计。通过优化这些核心组件的设计与制造工艺，可以显著提升系统性能，同时大幅降低成本。

PEM电解槽改善性能的关键要素

改善PEM性能的措施

难度

效益

减轻组件和系统中的外来元素导致的膜中毒/失活

简单

中等

设计、创建并整合用于气体渗透(交叉)的复合催化剂

简单

等

提高阳极和阴极催化剂的催化剂利用率

中等

高

识别并降低从催化剂层到PTL的层间电阻中等中等

降低PFSA膜的欧姆损耗和气体渗透

高

高

使用不含铱的催化剂进行析氧反应，并保持与铱催化剂相当的稳定性

高

高

消除催化剂层的机械降解(分层、溶解)

高

中等

为PTL制造无贵金属保护层高高

创新无钛PTL

高高

1、电流密度提升与电堆堆栈设计

当前PEM电解槽电堆的电流密度通常为2A/cm2，通过设计改进，有望将其提升至6A/cm2。更高的电流密度可以直接提升功率密度，从而减少单位功率下的材料消耗与设备体积，降低生产成本。

电堆的电极面积目前一般为1500-2000cm2，而未来随着技术的进步，电极面积可能会扩大至5000cm2，最终达到10000cm2以上。为了适应这种规模的扩展，可以采用相同厚度但更坚固的膜，通过串联来支持更大面积的电堆单元。这些设计改进将有助于提升PEM电解槽的单堆功率，从目前的1MW提升至5MW，甚至10MW，从而提高电解系统的经济性。

尽管功率密度提高，但实际运行时需保持较低的电压，以提高能效并简化废热管理。低电压下运行不仅可以减少电堆的电力损耗，还能减少冷却系统的负担，从而进一步优化成本。

2、降低膜厚度以提升效率与减少能耗

质子交换膜是PEM电解槽的核心组件之一，其厚度直接影响到电解过程的能效和电堆的稳定性。目前市面上主流的质子交换膜是NafionN117膜，厚度为180μm，在2A/cm2电流密度下运行时，效率损失约为25%。然而，近年来一些膜的厚度已降至20μm，在相同电流密度下，效率损失减少到约6%。

尽管降低膜厚度能够提高效率并降低能耗，但膜的厚度预计不会降至5μm以下。这是因为膜的机械强度会随着厚度降低而下降，导致其耐久性不足。尤其是在高压差条件下，过薄的膜容易受损。此外，薄膜的使用还对生产工艺提出了更高的要求，特别是在催化剂涂覆与PTL结合时，薄膜的机械鲁棒性至关重要，必须保证其在较大面积上能均匀承受压力并避免损坏。因此，在减薄膜的同时，确保其机械性能的平衡十分关键。

3、优化多孔传输层（PTL）与双极板设计，减少昂贵涂层的使用

多孔传输层（PTL）和双极板是PEM电解槽的重要组成部分，特别是在阳极侧，PTL通常由涂覆铂的钛烧结多孔片构成。钛材料易于钝化，因此涂覆铂可以起到保护作用，同时铂还能有效降低层间电阻，提供优异的导电性。当前PTL的铂负载量通常为1-5mg/cm2，或约12.5g/kW。然而，铂的高成本对系统的整体成本有很大影响。研究表明，PTL的层间电阻可能导致1.35kWh/KgH2的电力损耗，约占氢气低位发热值（LHV）的4%。

未来的降本方向包括减少或替代钛材料。目前研究的替代材料包括铌、钽和不锈钢，这些材料可以在特定条件下替代钛，并减少甚至完全避免铂或金涂层的使用。此外，研发新型的保护涂层，使其在确保材料耐腐蚀性和稳定性的同时，不含贵金属，从而进一步降低材料成本。

4、催化剂涂覆膜的优化设计与自动化生产

催化剂涂覆膜的生产工艺是影响PEM电解槽成本的另一重要因素。通过生产自动化，建立可靠且低成本的催化剂和膜供应链，可以大幅降低生产成本，并提升制造效率。自动化生产能够实现规模化效应，从而使催化剂和膜的单位成本显著下降。

同时，通过优化电极设计，特别是催化剂在膜上的分布方式（如并行设计等），可以减少催化剂的使用量，而不影响催化效率。这一技术改进能够显著减少贵金属催化剂的用量，进一步降低系统成本。

目前，PSFA膜的供应商相对稳定，主要包括Chemours、Solvay、Asahi-Kasei、3M和Gore等。这些供应商已实现规模化生产，膜的面积可以达到3m2，能够满足大规模PEM电解槽的需求。随着膜生产规模的进一步扩大，供应链的完善将使PEM电解槽的成本进一步降低。