制氢高成本难题咋破解?PEM制氢降本利器来了！

制氢高成本难题咋破解?PEM制氢降本利器来了！

在当今能源转型的大背景下，氢能作为一种低碳高效的清洁能源，正逐渐成为全球能源领域的焦点。电解水制氢作为一种重要的制氢方式，拥有碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和高温固体氧化物（SOEC）四大技术路径，其中较为成熟的是 ALK 和 PEM。然而，PEM 制氢技术虽具有电耗低、体积小、灵活性高等优势，但设备成本高昂一直是其大规模应用的阻碍。如今，随着技术的不断进步和创新，PEM 制氢的降本之路正逐渐开启，有望成为未来低成本制氢的主流技术。

电解水制氢技术的主流之争

目前，ALK 是电解水制氢市场的主流应用。ALK 技术的优点在于设备成本低，这使得其在成本敏感的市场中具有较大的竞争力。以一台 1MW（产氢 200Nm³/h）电解槽为例，ALK 电解槽成本仅为 80 万元。

然而，ALK 技术也存在着明显的缺点，如电耗高、体积大、灵活性差等。相比之下，PEM 制氢技术在性能方面具有显著优势，其电耗低、体积小、灵活性高，能够更好地适应可再生能源的波动性。但 PEM 电解槽的设备成本高昂，一台 1MW 的 PEM 电解槽成本超 300 万元，这在很大程度上限制了其广泛应用。

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，成为了业界关注的焦点。从技术发展的趋势来看，PEM 制氢技术具有巨大的潜力。随着技术的不断进步和成本的不断降低，PEM 制氢有望在未来成为电解水制氢的主流技术。

多孔传输层：从无序化到有序化的迭代

PEM 电解槽的关键组成部分包括膜电极、多孔传输层和钛双极板。其中，多孔传输层在阳极析氧反应中起着至关重要的作用，承担着输水、排气、导热和导电等功能。

在产业界的发展过程中，阳极多孔传输层经历了从钛网到钛粒烧结板，再到钛纤维烧结毡（简称钛毡）等结构的演变。钛毡由于制作工艺简单、孔隙率高等特点，成为了当前国内外多孔传输层的普遍选择。然而，钛毡结构也存在着诸多不足之处。

首先，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，影响了电解水制氢的效率。其次，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。

此外，钛毡表面的孔径大小不一，标准差大，在阴阳极压差下易将膜电极 “挤” 进孔道，产生膜电极 “鼓包” 现象，同时较大孔径处更易反应、损耗更多，会缩短膜电极的整体寿命。

为了解决钛毡结构的不足，行业内开发出了全新的直通孔结构多孔传输层（SP - PTL）。从第一性原理看，直通孔结构多孔传输层具有诸多优势。

其一，孔道上下直通，进水、排氧气更顺畅，在大电流密度下优势更明显。其二，与催化剂层为面接触，较大幅度降低了接触面电阻。其三，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。

在成本方面，1MW 的 PEM 电解槽中，未镀铂钛毡的成本为 23 万元，而未镀铂直通孔结构的成本仅 9 万元，成本下降了 60%。此外，钛毡的镀层方式最适宜水电镀，而直通孔结构则可采用更节省贵金属的 PVD 物理气相沉积法。

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，主要体现在以下几个方面。

一是性能方面，直通孔结构本身相比钛毡拥有更高的效率。其独特的结构使得水、气的传输更加顺畅，导电性能更好，能够有效提高电解水制氢的效率和稳定性。

二是寿命方面，直通孔结构与钛网为面接触，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。

三是成本方面，直通孔结构下的镀层成本要比钛毡低很多。在 “六合一” 结构中，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，而若采用钛毡，为保证寿命则需对钛毡及整个 “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” 结构，PEM “六合一” 结构在多个方面降低了成本。

首先，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，更有利于氧气泡的排出。其次，“六合一” 结构将六层组件焊接成一体化器件，减少了 2 面铂镀层成本，仅需对直通孔结构与阳极催化层接触面镀铂，极大降低了贵金属用量。

此外，PEM 器件的一体化还减少了多层接触面电阻，降低了电解电压，提高了电解效率。按 1MW 的 PEM 电解槽测算，现有 “钛毡 + 蚀刻钛双极板”（含三面镀层）成本为 190 万元，而 “六合一” 结构（含一面镀层）成本仅为 30 万元，成本下降了 85%。若在 PEM “六合一” 基础上，考虑膜电极技术进步，如质子交换膜国产化、铱催化剂载量降低等因素，PEM 电解槽电堆成本有望不超过 100 万元。

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正如火如荼地进行。可以预见，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，成为中国新能源的新名片。