從材料、系統(tǒng)的提升，實(shí)現(xiàn)性能與成本的適配。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)PEM電解槽的市場(chǎng)價(jià)格一般仍高達(dá)堿性電解槽的4~5倍。如何降本一直是PEM電解槽領(lǐng)域的核心話題之一，尤其是能否通過技術(shù)突破來降低設(shè)備成本。

近期，國(guó)內(nèi)陸續(xù)有企業(yè)開始推出了高電密、薄PEM膜的新型制氫PEM膜電極，根據(jù)披露信息，膜電極的降本帶來PEM電解槽可降至120萬/MW以下（電堆部分），該價(jià)格不到當(dāng)前堿性電解槽的2倍。這反映出膜電極的優(yōu)化對(duì)推動(dòng)PEM電解槽降本的巨大潛力。

能景研究認(rèn)為，PEM電解槽有其結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，通過技術(shù)突破能夠在原材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等方面獲得提升，從而實(shí)現(xiàn)性能與成本的適配，最終行成產(chǎn)業(yè)化推廣。

本文從PEM電解槽的技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新方式入手，結(jié)合了國(guó)內(nèi)外PEM電解槽領(lǐng)域的實(shí)踐方向，嘗試?yán)迩逡恍┙当镜乃悸�，希望�?duì)行業(yè)有所啟發(fā)。

01 PEM電解槽的特殊材料、精密系統(tǒng)造成了較高成本

一套PEM制氫系統(tǒng)包括電堆（本文指不含BOP的槽體）和輔助系統(tǒng)2部分。其中電堆部分負(fù)責(zé)產(chǎn)氣，屬于單獨(dú)的裝備，由極板、電極等組成。輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)電、氣、液、熱等的管理，是一套綜合系統(tǒng)，由儀表、壓力容器、閥具、電子設(shè)備等一系列裝備及零部件組成。

電堆部分一般含有多種高價(jià)值材料，成本占單槽系統(tǒng)50%左右。一臺(tái)PEM電解槽電堆主要由膜電極、擴(kuò)散層、雙極板等組成。從PEM電堆部分所用的材料來看，含有全氟磺酸樹脂（膜）、氧化銥（陽(yáng)極）、鉑（陰/陽(yáng)極、鍍層）、鈦（擴(kuò)散層、極板）等多種價(jià)值較高的材料。其中前3種材料的市場(chǎng)價(jià)格較高，如銥在2024年10月中旬的市價(jià)約1200元/g，鉑約240元/g。鈦的原料價(jià)格較低，但是成型及機(jī)械加工的難度等推高了鈦制品（鍍鉑鈦擴(kuò)散層和極板）的成本。

BOP系統(tǒng)復(fù)雜，一般在整套系統(tǒng)的成本中占約40%到60%。一套BOP中含有近百個(gè)零部件。BOP部分涉及電源、氣液管理、熱管理等環(huán)節(jié)，其中，電源部分包括制氫電源、控制柜、配電柜等硬件以及控制程序軟件，氣液管理等部分則包括近20處閥件、壓力/溫度檢測(cè)及反饋儀器等。風(fēng)/光波動(dòng)電源制氫場(chǎng)景給電解槽精細(xì)控制提出了更高要求。如制氫電源部分使用價(jià)格更高的IGBT、24脈整流晶閘管等，氣液管理等部分對(duì)非標(biāo)設(shè)備、進(jìn)口品牌等的需求較大，進(jìn)一步推高了成本。

能景研究認(rèn)為，PEM電解槽技術(shù)的創(chuàng)新突破以及實(shí)現(xiàn)與成本之間更好的平衡適配，離不開“材料”和“系統(tǒng)”兩個(gè)層級(jí)�，F(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)化PEM電解槽的技術(shù)仍處于相對(duì)早期，在材料和系統(tǒng)方面均有進(jìn)一步突破的可能性。

02 材料的提升及降本：以直接或間接地減少材料用量為切入點(diǎn)

材料的降本有優(yōu)化工藝、循環(huán)回收、減少材料用量等途徑。其中，在保障性能不減弱的情況下，通過減少高價(jià)值材料的使用是降本最為直接的辦法。從國(guó)內(nèi)外行業(yè)里的實(shí)踐來看，一般來說有3個(gè)思路：一是提升材料性能、二是尋找替代材料、三是優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料之間的匹配組合。提升材料性能方面。通過調(diào)整材料的組分、微觀結(jié)構(gòu)等方式，在保障可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)減少銥、鉑等材料的用量。典型如低銥、高活性催化劑的開發(fā)。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外PEM電解槽應(yīng)用的膜電極的銥含量一般在1~2mg/cm2左右，也有企業(yè)開始推出0.5mg/cm2、0.3mg/cm2等低銥含量的膜電極產(chǎn)品。尋找替代材料方面。通過尋找性能相近的元素或材料，替代現(xiàn)有的較高成本的組分。典型有非銥催化劑，如將銥元素替換為釕、鉑等相對(duì)成本較低的元素；非鈦雙極板，如開發(fā)鍍鉑不銹鋼極板等；非鉑涂層，如開發(fā)金、鈮涂層等（因零部件部位而異）。

目前國(guó)內(nèi)外在非銥催化劑方面仍以研發(fā)為主，在雙極板、涂層等部位已有產(chǎn)品開始實(shí)踐。

優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的匹配組合方面。通過優(yōu)化氣/液流場(chǎng)、改善催化劑/膜/擴(kuò)散層不同組分之間的接觸面等方式，保障材料本身的性能得到更加充分的發(fā)揮，從而減少材料投入。典型如針對(duì)不同電流密度的膜電極，選擇適配不同孔隙率的擴(kuò)散層、不同厚度的鍍層等。目前國(guó)內(nèi)外通過材料本身的優(yōu)化以及結(jié)合結(jié)構(gòu)的匹配等，PEM電解槽已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)1.5至2A/cm2的電流密度下40000多小時(shí)長(zhǎng)壽命運(yùn)行，而近期新推出的電解槽部分達(dá)到2A/cm2以上。

能景研究認(rèn)為，通過新材料、替代材料應(yīng)用技術(shù)的逐步突破，以及不斷的創(chuàng)新、驗(yàn)證和數(shù)據(jù)積累，PEM電解槽能夠?qū)崿F(xiàn)性能和成本之間的更加適配。值得說明的是，這個(gè)過程并非一蹴而就的，也需要更多的時(shí)間去積累和沉淀。

03 系統(tǒng)的提升及降本：大型化和集成化為思路

通過對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)及創(chuàng)新也是實(shí)現(xiàn)性能與成本更好適配的方法。從行業(yè)實(shí)踐來看，目前對(duì)PEM電解槽進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)行提升的方式，一般來說有兩個(gè)思路：一是單堆的大型化，二是多堆的集成化。單堆大型化方面，主要為電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的突破等。該途徑下，需研究每個(gè)電解單元的性能及其堆疊成單堆的方式。以提升單堆產(chǎn)氫量的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破上，典型如提高PEM電解槽系統(tǒng)中堆疊的單個(gè)電解單元數(shù)量；或是增大每個(gè)電解單元的極板面積，以提高每個(gè)電解單元的產(chǎn)氫量。零部件的優(yōu)化上，如采用更高性能的膜電極及極板來提升每個(gè)電解單元的產(chǎn)氫量等也是一條途徑。目前，海外公開的PEM電解槽單堆最大達(dá)到2.5MW ~ 3MW，2024年國(guó)內(nèi)廠家也開始陸續(xù)推出1.5MW、2.5MW的產(chǎn)品。

多堆集成化方面，主要為BOP的集成及設(shè)計(jì)優(yōu)化等。該途徑下，將多臺(tái)PEM電堆集成共用一套BOP系統(tǒng)，如2臺(tái)1MW電堆共同組成2MW的制氫系統(tǒng)。在過個(gè)電堆集成系統(tǒng)的過程中，零部件的使用上，BOP中將共用一套更大規(guī)模的氣液分離器、儀表及制氫電源等；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，在風(fēng)光波動(dòng)電源制氫的場(chǎng)景下，需采用多槽之間的協(xié)同控制策略，具體則包括智能化、自動(dòng)化系統(tǒng)等。目前，海外典型如西門子已實(shí)現(xiàn)了24臺(tái)單槽集成，康明斯等也采用2~3臺(tái)槽的集成策略。國(guó)內(nèi)已知有2臺(tái)左右集成的模塊化產(chǎn)品。

能景研究認(rèn)為，系統(tǒng)的規(guī)模化能夠帶來較好的降本效益，假設(shè)制氫系統(tǒng)從1MW放大到10MW，BOP中各類儀表、閥門等零部件雖然規(guī)格相應(yīng)放大，但成本不會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大10倍。值得說明的是，電解制氫系統(tǒng)運(yùn)行的安全和可靠性需要BOP乃至整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同，不同場(chǎng)景、不同的“放大”路線，均離不開實(shí)際驗(yàn)證和數(shù)據(jù)迭代的積累，或新型技術(shù)策略的突破。

來源：能景研究

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       原文標(biāo)題 : 洞見| PEM電解槽如何通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)降本？