PEM制氢降本“大杀器”来了

2024-11-26 09:58

香橙会

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摘要

电解水制氢有四大技术路径，碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和高温固体氧化物（SOEC）；其中，较为成熟的是ALK和PEM。

目前，ALK是电解水制氢市场的主流应用。ALK的优点是设备成本低，缺点是电耗高、体积大、灵活性差；PEM的电耗低、体积小、灵活度高，但设备成本高昂阻碍了其大规模应用。

以一台1MW电解槽为例，ALK电解槽的成本为80万元，而PEM电解槽成本超300万元。目前，业内基于全新的直通孔结构多孔传输层，开发出“六合一”一体化结构，有望将1MW的PEM电解槽成本降至150万元，大幅提高PEM制氢的经济性。

未来，PEM制氢技术对ALK制氢技术，能否再现当年光伏行业单晶硅对多晶硅的替代，我们拭目以待。

“六合一”结构下，1MW的PEM电解槽成本仅150万元，成本下降基于两点：

①阳极多孔传输层：阳极直通孔结构多孔传输层对传统钛毡的替代。

1MW的PEM电解槽，未镀铂钛毡的成本为23万元，未镀铂直通孔结构多孔传输层的成本仅9万元，成本下降60%。钛毡→直通孔结构是多孔传输层无序化→有序化的迭代。直通孔结构是在一片薄薄的钛板上形成众多有规则的上下直通的十微米级小孔，相比钛毡，一是直通孔结构的孔道上下直通，更有利于反应水和氧气泡的传输，二是直通孔结构与催化剂层为面接触，接触面更大，电阻更小。

②“六合一”结构：将直通孔结构多孔传输层、细目钛网、粗目钛网、钛平板双极板、粗目钛网、细目钛网这六层组件按顺序焊接成一体化器件，替代现有的“钛毡+蚀刻钛双极板”结构。

两者相比，“六合一”结构下，一是省去钛双极板的蚀刻成本，并减少钛板厚度，降低钛材用量；二是“六合一”结构仅需在直通孔结构多孔传输层阳极侧进行贵金属镀层，至少减少两面镀层，大幅降低贵金属用量。1MW的PEM电解槽，现有“钛毡+蚀刻钛双极板”（含三面镀层）为190万元，“六合一”结构（含一面镀层）成本仅为30万元，成本下降85%。

直通孔结构多孔传输层是“六合一”结构的灵魂。一是在性能上，直通孔结构本身相比钛毡拥有诸多优势，具有更好的传质能力、更低的接触电阻,且直通孔结构与钛网为面接触，焊接点更牢固，寿命更长。二是在成本上，直通孔结构可采用PVD镀法，而钛毡为保证寿命一般需要采用电镀，PVD镀法的贵金属用量要比电镀减少50%以上。

目前，业内已有不少企业开始尝试革命性的直通孔结构多孔传输层，以及全新的“六合一”结构，PEM制氢技术的进步和降本如火如荼。

星星之火，可以燎原。相信在这些具备开拓精神企业的引领下，中国氢能产业必将接棒锂电、光伏和风电，成为中国新能源产业的新名片。

引言

电解水制氢有四大技术路径，碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和高温固体氧化物（SOEC）；其中，较为成熟的是ALK和PEM。目前，ALK是电解水制氢市场的主流应用。ALK的优点是设备成本低，缺点是电耗高、体积大、灵活性差；PEM的电耗低、体积小、灵活性高，但设备成本高昂阻碍了其大规模应用。

以一台1MW（产氢200Nm3/h）电解槽为例，ALK电解槽成本为80万元，而PEM电解槽成本超300万元。目前，业内基于全新的直通孔结构多孔传输层，开发出“六合一”一体化结构，有望将1MW的PEM电解槽成本降至150万元，大幅提高PEM制氢经济性。

未来，PEM制氢技术对ALK制氢技术，能否再现当年光伏行业单晶硅对多晶硅的替代，我们拭目以待。

多孔传输层：钛毡→直通孔结构，从无序化→有序化的迭代

PEM电解槽有三个关键组成部分：①膜电极（质子交换膜、阴极铂催化剂、阳极铱催化剂）；②多孔传输层（阴极碳基气体扩散层GDL、阳极钛基多孔传输层PTL）；③钛双极板。电解水制氢过程中，去离子水从阳极侧钛板流道流入，经阳极PTL输送至阳极铱催化层，在其表面发生氧化反应产生O2和H+，O2经阳极PTL从阳极钛极板收集流出，H+穿过质子交换膜在阴极铂催化层发生还原反应产生H2，H2再经阴极GDL从阴极钛极板收集流出。

多孔传输层（Porous Transport Layer, PTL）位于双极板和阳极催化剂层之间，在阳极析氧反应中起到输水（反应水流入）、排气（氧气泡排出）、导热（热量导出）、导电作用。

产业界中，阳极多孔传输层经历了钛网→钛粒烧结板→钛纤维烧结毡（简称钛毡）等结构，钛毡因为制作工艺简单、孔隙率高等特点，是当前国内外多孔传输层的普遍选择。

全球主要供应商为比利时贝卡尔特，国内钛毡厂家则主要来自过滤材料的生产企业。

阳极多孔传输层是气、液、电、热四相场的集成。

①PTL是气、液的交汇场，反应水经PTL进来，生成的氧气泡经PTL出去，要尽可能让水、气的双向流动更顺畅、减少对流阻力；传统钛毡结构是无序化的，其内部孔道结构分布随机，导致反应水和氧气泡在其内部传输阻力较大。

②PTL要承担导电的功能，需要尽可能增大与催化层的接触面；钛毡与催化剂层的接触为线接触，接触面较小，导致气、液、固三相交界的电化学反应位点较少，阻抗偏高。

③PTL的结构会对与其接触的膜电极造成影响；钛毡表面的孔径大小不一，标准差大，较大孔径甚至可能会超过100微米，在阴阳极压差（3.5MPa）下易将膜电极“挤”进孔道，产生膜电极“鼓包”；同时，较大孔径处更易反应、损耗更多，“短板效应”会缩短膜电极整体寿命。

针对钛毡结构的不足，行业内开发出全新的直通孔结构多孔传输层(简称SP-PTL，Straight Pore-PTL)。

从第一性原理看，直通孔结构多孔传输层

①孔道上下直通，进水、排氧气更顺畅，大电流密度下优势更明显；

②与催化剂层为面接触，较大幅度降低接触面电阻；

③孔道尺寸小于主流PEM膜的厚度、且孔尺寸均一、标准差小，不易产生膜电极鼓包和反应不均一问题。1MW的PEM电解槽，未镀铂钛毡的成本为23万元，未镀铂直通孔结构的成本仅9万元，成本下降60%。

此外，钛毡的结构特点决定了其最适宜的镀层方式为水电镀，而不太适宜更节省贵金属的PVD物理气相沉积法。钛毡结构内部导电是通过钛丝与钛丝的烧结点，在阳极强氧化、强酸环境下，通常需要将钛毡内部的所有钛丝烧结点均浸没在电镀液中，镀上铂金保护层，以保证寿命。

降本利器，PEM“六合一”横空出世

直通孔结构多孔传输层是“六合一”结构的灵魂。

“六合一”结构是将直通孔结构多孔传输层、细目钛网、粗目钛网、钛平板双极板、粗目钛网、细目钛网这六层组件按顺序焊接成一体化器件，替代现有的“钛毡+蚀刻钛双极板”。

直通孔结构在“六合一”中的作用难以被钛毡取代，一是钛毡本身在性能上不及直通孔结构效率高，二是直通孔结构与钛网为面接触，其焊接点牢固程度要远大于钛毡与钛网间的线接触，寿命更长。三是直通孔结构下的镀层成本要比钛毡低很多。直通孔结构的“六合一”，可采用PVD物理镀法，对直通孔结构多孔传输层阳极侧进行单面镀铂；若采用钛毡，为保证寿命，需对钛毡及整个“六合一”进行水电镀化学镀法，贵金属用量大大增加。

相较于现有的“钛毡+蚀刻双极板+三面镀铂”，PEM“六合一”结构降低了三方面成本：

一是用钛网替代流场，减少了钛双极板的蚀刻成本。标准化的钛网成本远低于蚀刻双极板，同时，粗目钛网+细目钛网，与SP-PTL形成三级梯度结构，三级梯度的孔径为等比，更有利于氧气泡的排出。

二是“直通孔结构多孔传输层+粗目/细目钛网+钛双极板”六层组件焊接成一体化器件，减少了2面铂镀层成本。在现有结构中，需要对钛毡两面、蚀刻钛双极板阳极面，共计3面镀铂。在PEM“六合一”中，仅需对直通孔结构与阳极催化层接触面镀铂，极大降低贵金属用量。PEM器件的一体化还减少了多层接触面电阻，降低电解电压，提高了电解效率。

三是在镀层技术选择上，钛毡因其内部结构复杂，海外常采用电镀法确保其寿命；而直通孔结构可直接采用PVD镀层法，镀层方法简单，贵金属铂用量可减少50%以上。按1MW的PEM电解槽测算，现有钛毡+蚀刻钛双极板（含三面镀层）为190万元，“六合一”结构（含一面镀层）成本仅为30万元，成本下降85%。