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PEM電解槽系統(tǒng)也由電解電堆(主機(jī))和輔機(jī)設(shè)備兩大部分構(gòu)成
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-07-31

PEM電解槽系統(tǒng)也由電解電堆(主機(jī))和輔機(jī)設(shè)備兩大部分構(gòu)成。以1MW級別的PEM電解槽系統(tǒng)為例，電堆和輔機(jī)成本占比分別為60%和40%。

1）PEM電解槽系統(tǒng)的輔機(jī)設(shè)備與AWE槽系統(tǒng)相似、甚至部分可以通用，電源、即電力系統(tǒng)，成本占比50%；去離子水循環(huán)系統(tǒng)，包括氧氣分離器、循環(huán)泵等，為電解槽提供達(dá)標(biāo)的去離子水，成本占比22%；氫氣處理設(shè)備，即氫氣純化設(shè)備等，對生產(chǎn)的氫氣進(jìn)行干燥和純化，成本占比20%；冷卻系統(tǒng)，包括換熱器、冷凝泵、冷凝器等，負(fù)責(zé)電解槽熱管理，成本占比8%。

2）PEM電解槽電堆成本構(gòu)成為：雙極板53%、膜電極24%、氣體擴(kuò)散層/多孔傳輸層(鈦氈、碳?xì)?17%、電堆組裝和端板3%、小組件(密封件、框架等)3%。其中，膜電極(MEA)由陰極和陽極催化劑直接噴涂在質(zhì)子交換膜上構(gòu)成，其制造成本大約站42%，其構(gòu)成中質(zhì)子交換膜29%、銥Ir基催化劑21%、鉑Pt基催化劑8%。與AWE相似，PEM槽的催化劑涂覆也是關(guān)鍵工藝，但Pt和Ir等貴金屬催化劑用量高、總成本占比明顯更高。

3）PEM電解小室的結(jié)構(gòu)為“雙極板/陰極擴(kuò)散層/陰極催化劑/質(zhì)子交換膜/陽極催化劑/陽極擴(kuò)散層/雙極板”，核心材料包括質(zhì)子交換膜、陽極/陰極的催化劑+擴(kuò)散層、雙極板：雙極板作為電解小室的支撐結(jié)構(gòu)；

氣體擴(kuò)散層的作用是確保氣體/水傳輸和電荷傳輸；催化劑的配比與電流、電壓、溫度的適配調(diào)節(jié)控制制氫速度和效率；質(zhì)子交換膜(PEM)用于傳導(dǎo)質(zhì)子(正電荷)、隔離氫氣和氧氣、為催化劑層提供結(jié)構(gòu)支撐，對于電解槽的性能起到重要作用。PEM電解水過程會構(gòu)建強(qiáng)酸+強(qiáng)堿環(huán)境，因此上述材料均需要具備耐腐蝕性能。

同時(shí)陽極處于高電位，雙極板和陽極擴(kuò)散層通常以耐腐蝕性最強(qiáng)的工業(yè)金屬鈦基材料為主、甚至需要在雙極板表面制防腐涂層；氣體擴(kuò)散層由基底層和微孔層兩部分組成，其孔徑和孔結(jié)構(gòu)會影響性能，陽極擴(kuò)散層為防腐蝕還需涂覆Ir或Pt貴金屬涂層，而陰極擴(kuò)散層以碳?xì)譃橹鳎?

催化劑只有少數(shù)貴金屬基電催化劑(Pt和IrO2)能夠在PEM槽的工況環(huán)境下表現(xiàn)出合理的催化活性和穩(wěn)定性，鉑基金屬作為陽極催化劑參與析氧反應(yīng)、IrO2材料作為陰極催化劑參與析氫反應(yīng)；PEM膜工作時(shí)需要持續(xù)承受高壓(>3MPa)、低負(fù)荷運(yùn)行和頻繁啟停的運(yùn)行環(huán)境，對材料機(jī)械性能要求極高，目前主流采用全氟磺酸脂材質(zhì)。

未來技術(shù)方向均在追求高性能與低成本的匹配。雙極板需要開發(fā)新型材料和表面處理工藝，以降低表面涂層貴金屬的用量或進(jìn)行替代；雙極板和擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)都需要結(jié)合電解槽工藝特點(diǎn)進(jìn)行定制優(yōu)化開發(fā)；催化劑領(lǐng)域力求減少Ir和Pt貴金屬的用量、甚至尋找非貴金屬基催化劑替代物，在極端的年份貴金屬回收產(chǎn)業(yè)亦會體現(xiàn)投資價(jià)值；PEM膜可以通過降低膜厚度、提高離子傳導(dǎo)率以降低膜阻與電解能耗兩方面降本。

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