碱性电解水系统成本结构占比

碱性电解水系统成本结构占比

在碱性电解水制氢技术中，设备成本构成是决定系统经济性的关键因素。本文基于2022年国外文献数据，详细解析了碱性电解槽的成本结构，包括电极、膜片、双极板等关键部件的成本占比，并探讨了通过创新设计和优化系统来降低成本的途径。

在碱性电解槽的设备成本构成中，电极和膜片是主要的成本驱动因素，它们占据了超过一半的成本份额。与此相比，双极板的成本占比较小，这得益于其设计简单、制造过程简便以及使用成本较低的材料，如镀镍钢。通过创新电极和膜片的设计，可以显著降低生产成本。此外，优化碱性电解制氢系统的辅机部分、改进碱液循环系统以及提升氢气后处理工艺，对于进一步降低系统成本具有重要意义。

1MW碱性电解槽系统成本结构

在进行碱性电解槽与质子交换膜（PEM）电解槽的结构对比时，我们发现在部件的命名和拆解方法上存在一些差异。通常，我们习惯于将这些部件称为极框、主极板、副极板（这些副极板通常带有催化层）、隔膜和密封件等。为了更深入地理解这些结构，我们建议参照实物图面进行直观的对照学习。

BOP包含范围（BOP占整个系统成本的55%左右）

• 电源（50%）
• 去离子水循环系统（制氢框架）（22%）
• 氢气处理（氢气纯化系统）（20%）
• 冷却系统（用来热管理电解槽温度）（8%）

说明：对于自来水纯化系统、用于热管理的冰水机系统，以及压缩气体、氮气等系统的成本。

电解槽部分（占整个系统的45%左右）

• 多孔传输层（8%）（泡沫镍板、镍丝网等）
  多孔传输层PTL

• 结构层（14%）
  一般指极框部分。国内传统做法都是碳钢等机加工而成。极个别厂商有替代做法。
  极框示意图

• 小程序件（包含密封件以及框架）（4%）
  密封件可以聚四氟乙烯、三元乙丙、氟橡胶、PEEK等材料。结构可以预制成型或者板材冲切等方式成型。
  密封垫示意图

• 双极板（7%）
  碱性电解槽中的核心支撑组件为极板，它不仅承载着电极与隔膜，还具备关键的导电功能。在国内，极板的制造通常采用铸铁金属板、镍板或不锈钢金属板作为基材，经过精密的机械加工后，再与极框进行焊接，并在表面镀上镍层以增强其耐用性。这一镀镍工艺尤为关键，因为镍作为非消耗性电极材料，在碱性环境下展现出卓越的抗腐蚀性能，确保了电解槽的长期稳定运行。同时，极板上设计的乳突结构则肩负着支撑副极网、稳固隔膜以及优化电力传输等多重任务。值得注意的是，欧美地区的一些先进技术路线已逐渐摒弃了传统的极板制造方式，探索更加高效、创新的解决方案。
  国内极板结构实物

• 电堆组装和端板（端板、拉紧螺杆、铜排等）10%。
  用来固定单元小室，串联成一个电解槽整体的必要构件。
  端板以及螺杆示意图

• 膜片/膜电极组件（57%）

膜片/电极组件

• 制备（72%）
  主要是在电极网上（也可以称作PTL层）做催化层涂布，可采用喷涂、热喷涂、化学镀、PVD等等方式，不同方式性能和成本也会有差异。
  催化层制备示意图

• 膜片（隔膜）（14%）
  最早的石棉、第二代的PBI、PPS（聚苯硫醚）等、第三代的PPS+无机层涂覆的复合膜等。主要功能是阻气透液。目前石棉膜已经淘汰，另不同类型的膜价格也会有差异。如下图例所示：
  隔膜示意图

• 镍基阳极催化层（11%）
  当前，碱性电解水技术领域的催化剂研究展现出高度的多样性，涵盖了从贵金属基（如Pt、Pd、Au、Ag等）到非贵金属基（如Fe、Co、Ni等），再到非金属基（如碳材料等）的广泛范围。然而，在实际应用于大型电解槽的情境中，Ni基催化剂占据了主导地位，这些催化剂可以是纯镍网、泡沫镍，或是以此为基底，通过喷涂工艺附着的高活性Ni基复合材料，如雷尼镍、特殊活化处理的硫化镍、NiMo合金以及活化后的NiAl等。
  在电解槽的每个小室内，都配置有两个催化层，分别位于阴极与阳极，它们紧密贴合于隔膜的两侧，实现高效的电化学反应。这些催化层的形状设计通常与电解槽的整体构造保持一致，多为圆形，以确保其几何面积最大化地覆盖并等同于电解槽的有效工作面积，从而优化电解效率与能源利用率。
  催化剂和电极网

• 镍基阴极催化层（4%）

小结：

尽管碱性电解水制氢技术遵循相似的基本原理，但其在技术实现层面却展现出显著的差异性。这种差异不仅体现在材料的选择上，包括催化剂、电极材料、隔膜等关键组件的多样化应用；还深刻影响着结构设计与加工工艺的制定。因此，即便是在成本结构的考量上，由于上述技术细节的不同，也无法提供一个普遍适用的成本模型。所以，上述关于成本结构的讨论仅作为有限范围内的参考，具体项目的成本分析需结合其独特的技术实现方案进行详细评估。