PEM电解槽系统也由电解电堆(主机)和辅机设备两大部分构成
思瀚产业研究院    2024-07-31

PEM电解槽系统也由电解电堆(主机)和辅机设备两大部分构成。以1MW级别的PEM电解槽系统为例，电堆和辅机成本占比分别为60%和40%。

1）PEM电解槽系统的辅机设备与AWE槽系统相似、甚至部分可以通用，电源、即电力系统，成本占比50%；去离子水循环系统，包括氧气分离器、循环泵等，为电解槽提供达标的去离子水，成本占比22%；氢气处理设备，即氢气纯化设备等，对生产的氢气进行干燥和纯化，成本占比20%；冷却系统，包括换热器、冷凝泵、冷凝器等，负责电解槽热管理，成本占比8%。

2）PEM电解槽电堆成本构成为：双极板53%、膜电极24%、气体扩散层/多孔传输层(钛毡、碳毡)17%、电堆组装和端板3%、小组件(密封件、框架等)3%。其中，膜电极(MEA)由阴极和阳极催化剂直接喷涂在质子交换膜上构成，其制造成本大约站42%，其构成中质子交换膜29%、铱Ir基催化剂21%、铂Pt基催化剂8%。与AWE相似，PEM槽的催化剂涂覆也是关键工艺，但Pt和Ir等贵金属催化剂用量高、总成本占比明显更高。

3）PEM电解小室的结构为“双极板/阴极扩散层/阴极催化剂/质子交换膜/阳极催化剂/阳极扩散层/双极板”，核心材料包括质子交换膜、阳极/阴极的催化剂+扩散层、双极板：双极板作为电解小室的支撑结构；

气体扩散层的作用是确保气体/水传输和电荷传输；催化剂的配比与电流、电压、温度的适配调节控制制氢速度和效率；质子交换膜(PEM)用于传导质子(正电荷)、隔离氢气和氧气、为催化剂层提供结构支撑，对于电解槽的性能起到重要作用。PEM电解水过程会构建强酸+强碱环境，因此上述材料均需要具备耐腐蚀性能。

同时阳极处于高电位，双极板和阳极扩散层通常以耐腐蚀性最强的工业金属钛基材料为主、甚至需要在双极板表面制防腐涂层；气体扩散层由基底层和微孔层两部分组成，其孔径和孔结构会影响性能，阳极扩散层为防腐蚀还需涂覆Ir或Pt贵金属涂层，而阴极扩散层以碳毡为主；

催化剂只有少数贵金属基电催化剂(Pt和IrO2)能够在PEM槽的工况环境下表现出合理的催化活性和稳定性，铂基金属作为阳极催化剂参与析氧反应、IrO2材料作为阴极催化剂参与析氢反应；PEM膜工作时需要持续承受高压(>3MPa)、低负荷运行和频繁启停的运行环境，对材料机械性能要求极高，目前主流采用全氟磺酸脂材质。

未来技术方向均在追求高性能与低成本的匹配。双极板需要开发新型材料和表面处理工艺，以降低表面涂层贵金属的用量或进行替代；双极板和扩散层的结构都需要结合电解槽工艺特点进行定制优化开发；催化剂领域力求减少Ir和Pt贵金属的用量、甚至寻找非贵金属基催化剂替代物，在极端的年份贵金属回收产业亦会体现投资价值；PEM膜可以通过降低膜厚度、提高离子传导率以降低膜阻与电解能耗两方面降本。

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