PEM/碱性电解水系统电解水系统成本结构解析
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2020年中国氢气产量结构数据来源：中国煤炭工业协会、东吴证券研究所
水电解制氢技术路线对比
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PEM电解水系统成本结构分析
由于传统认知认为碱性电解槽电解效率低，需要使用腐蚀性极强的碱性溶液，制氢需要除水除碱，难以快速启动和改变负荷，同时无法快速调整制氢速度，与可再生能源发电的兼容性较差。因此，近年来，更多人将目光投向了质子交换膜电解槽（PEM）。其实，这里我想简单纠正一下自己的认知，随着碱性技术的完善，目前的碱性制氢技术也能实现8000~/m2的电流密度，每秒5%以上的负荷增减速度，以及更高的动态响应能力和更宽的负荷工作范围（10%~110%）。虽然PEM的性能天花板比碱性技术高，但在碱性性能达到上述技术指标的前提下，也能实现与可再生能源完美耦合的离网绿色制氢。 因此，在未来规模化生产绿色氢气中，对电解槽的要求更多的是性价比，绝不是技术路线指标的否决。下面我们来简单剖析一下PEM制氢系统的成本构成，探索未来PEM制氢系统成本降低的一种可能性。
PEM水电解制氢工艺流程图（来源：质子交换膜水电解制氢技术在发电厂的应用）
PEM水电解制氢工作原理
如下图所示，对目前行业内1MW PEM系统制氢成本结构进行图形分析：
国外资料显示PEM制氢系统成本结构
PEM制氢系统成本结构国内翻译
PEM电解器结构示意图
1.PEM制氢系统BOP部分（占整个系统的55%）
1. 电力供应（BOP的50%）
1）电源
2）直流电压/电流传感器。
2.去离子水循环系统（占BOP22%）
1）氧气分离器
2）循环泵
3）各种阀门、管道等。
4）仪器仪表（压力、流量、温度、电导率等）
5）控制系统
3.氢气制备、干燥及净化系统（占BOP的20%）
1）氢气分离器
2）阀门、仪表（压力、温度、流量等）、管道等。
3）控制系统
4.冷却系统（占BOP的8%）
1）板式热交换器
2）冷却泵
3）仪器仪表、阀门、管道等。
4）干式冷凝器
以上BOP组成与碱性系统差别不大（净化工艺上有些差异），但碱性系统相对复杂，随着规模化，成本下降空间还很大。另外由于PEM系统整体成本和售价较高，这部分成本和售价也随之上升。其实这部分占整个系统的55%这个数据并不科学，以上仅供参考。
2.PEM水电解电堆结构（占整个系统的45%）
1.双极板（占电解槽本体的53%）
PEM制氢主要有两种方法，一种是采用316不锈钢或者钛板进行预镀膜工艺，镀膜层含有镍、贵金属、碳等形式，然后成型工艺如下：
流道型板片
另一种方法是使用替代结构，如下所示：
无流道板型
不同的工艺模式、材料应用，成本结构还是有差异的。
2.气体扩散层GDL（PTL）（占电解槽成本的17%）
有很多种方式，比如钛毡，钛网，碳纸等等，目前阳极多采用钛毡，阴极多采用碳毡，本案例成本分析以多元素合金烧结而成的金属毡结构为主。
金属毡（阳极）与碳毡（阴极）示意图
3.密封部件（占罐体的3%）
密封部件及方法可采用燃料电池通用，采用胶水，或者聚四氟乙烯，EPDM等材料，框架（类似）可采用PEEK，PPS-40gf等粘接。
4.端板及总成（占罐体的3%）
目前有圆形、矩形两种类型，后续在MEA的卷对卷生产中，为了节省材料，会更多地采用矩形区域产品。
矩形和圆形的面积
5.膜电极组件（MEA）（占电池的24%）（此部分下面单独展开）
3.膜电极MEA组成（占罐体的24%）
质子交换膜电解槽采用聚合物质子交换膜替代碱性电解槽中的隔膜和液态电解质，具有离子传导和气体隔离的双重作用。PEM电解槽的膜电极与燃料电池的膜电极类似，由质子交换膜以及阳极和阴极催化剂组成。
1. MEA制备工艺（占膜电极的42%）
这部分是很重要的一个环节，制程技术有很多种选择，以满足不同的生产规模，当然最流行的还是CCM，CCM又可以分为热转印和双面直涂，本案例以双面直涂方式为主。
CCM生产步骤1：正反面镀膜
CCM 步骤 2：热转印压层
2.PEM膜（占膜电极的21%）
目前，用于水电解制氢的质子交换膜大多为全氟磺酸膜，其制备工艺复杂，长期被美国、日本公司垄断，例如杜邦™系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子®膜、旭化成®-S膜等。其中杜邦™系列膜具有电子阻抗低、质子传导率高、化学稳定性和机械稳定性好、抗气体渗透性好等优点，是目前电解制氢应用最广泛的质子交换膜。
3. OER侧催化剂层Lr（25%）
目前阳极铱催化剂负载量在4~12g/m2数量级，Ru的电催化析氧活性高于Ir，但稳定性较差，通过与Ir形成稳定的合金可以提高催化剂的活性和稳定性。
氧化铱催化剂
4. HER侧催化剂层Pt（13%）
目前的目标是将膜电极上铂族催化剂的总负载量降低至0.125-1.25 g/m2，阴极Pt/C催化剂的Pt负载量降低至约4-7 g/m2。
由于各种产品的工艺、催化剂等存在差异，不同公司产品的成本构成也会略有不同。
概括：
由于成本结构既取决于工艺手段，也取决于生产规模和单体大小，一般来说，电池电堆越小、生产规格越小，相对单位成本就越高。另外，在PEM尚未获得比较大规模的实际工程验证数据之前，为了达到最佳性能和寿命，在设计和加工过程中往往会留下大量的材料冗余。因此，成本结构会略有扭曲。
以上信息只能从物理结构层面给大家提供大致的参考！
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碱性电解水系统成本结构分析
如下图所示，对于碱性电解槽而言，设备成本主要由电极、膜等核心部件成本驱动。在碱性电解槽的电解堆成本构成中，超过50%的成本与电极和膜有关。在碱性电解槽中，双极板仅占电解堆成本的一小部分。这是因为碱性电解槽的双极板设计更简单，制造更简单，采用更便宜的材料（镀镍钢）。重新设计电极和膜可以降低成本。碱性电解制氢系统的辅助部分，碱溶液循环和氢气后处理对降低成本更为重要。
碱性水电解过程（来源：质子交换膜水电解制氢技术在发电厂的应用）
碱性水电解制氢原理示意图
1MW 碱性电解槽系统成本结构
注：以上结构拆解为参考PEM拆解，与我们日常的一些叫法不一样，请以实物图片为准理解。我们一般把这些部件称为极框、主极板、次极板（配制有催化层）、隔膜、密封圈等。
以一个完整的碱性氢气生产系统为例，其主要由电解槽本体和BOP系统两部分组成。
1. BOP覆盖率（BOP约占系统总成本的55％）
电源 (50%)
去离子水循环系统（氢气生产框架）（22%）
氢气处理（氢气纯化系统）（20%）
冷却系统（用于电解器温度的热管理）（8%）
描述：模糊处理自来水净化系统、冷水机组系统热管理。以及压缩气体、氮气等系统成本
2.电解槽（约占整个系统的45%）
多孔传输层（8%）（泡沫镍板、镍丝网等）
多孔传输层（PTL）
结构层（14%）
一般指杆架，国内传统做法是碳钢加工而成，很少有厂家有替代方法。
杆架示意图
小型部件（包括密封件和框架）（4%）
密封件可采用聚四氟乙烯、EPDM、氟橡胶、PEEK等材质，结构可采用预制或板材冲压成型。
垫片图
双极板（7%）
极板是碱性电解池的支撑部件，起支撑电极和隔膜并导电的作用。国内加工方法一般为：一般用铸铁金属板、镍板或不锈钢金属板加工成极板，然后与极架焊接并镀镍。由于镍是非自耗电极，在碱性溶液中不会腐蚀。乳突结构支撑二次极网、隔膜、电能传输等。欧美一些技术路线已不再采用此种方式。
国内板块结构
5.电堆组件及端板（端板、拉紧螺钉、铜排等）10%。
它是用来固定单元室并串联连接组成电解池的必要部件。
端板与螺杆示意图
6. 隔膜/MEA (57%)（此部分将在下文进一步分析）
3. 隔膜/电极组件
准备（72%）
主要是在电极网上镀上催化层（也叫PTL层），可以采用喷涂、热喷涂、化学镀、PVD等方式，不同的方式性能和成本也会有所不同。
催化剂层制备示意图
隔膜（14%）
最早的石棉，第二代PBI、PPS（聚苯硫醚）等，第三代PPS+无机层涂层复合膜等。主要作用是阻隔气体和液体。目前石棉膜已经被淘汰，不同种类的膜价格也会有所不同。如下图所示：
隔膜图
镍基阳极催化层（11%）
目前，从科研角度看，用于碱性水电解的催化剂种类较多，有贵金属基催化剂（Pt、Pd、Au、Ag等）、非贵金属基催化剂（Fe、Co、Ni等）、非金属基催化剂（碳材料等）。但目前大型电解槽中采用的催化剂多为Ni基、纯镍网或泡沫镍，或喷涂在此基体上的高活性Ni基催化剂（雷尼镍、活化硫化镍、NiMo合金、或活化NiAl等）。电解室内有两层催化层，一层在阴极，一层在阳极，分布在隔膜两侧并与隔膜直接接触。其形状一般与电解池形状一致（通常为圆形），其几何面积等于电解池有效面积。
催化剂及电极网
镍基阴极催化层（4%）
概括：
虽然都是碱性水电解制氢路线，但在技术实现、材料选择、结构设计、加工工艺等方面均存在差异，因此上述成本结构仅供有限参考。
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