7月19日，艾邦第二届电解水制氢产业论坛荣幸邀请到赛克赛斯 市场总监 王一伟于现场进行精彩演讲，演讲议题为《PEM制氢降本和发展展望》。论坛现场，王总介绍了PEM纯水电解制氢设备的优势、现状及降本增效的方法。

一、PEM电解槽现状

PEM制氢系统以PEM电解槽为核心，配备了气液分离装置、整流罩、气体监测仪、冷却水机组、纯化系统以及电源电控系统等，共同构成了完整的PEM制氢系统。

PEM 制氢系统的成本构成中，有60%的成本造价集中于PEM电解槽，剩下的辅机包括电源、整流电控和纯化设备等占了 40% 的成本。而60%的PEM电解槽成本造价中有50%是膜电极。膜电极中又包含了贵金属催化剂、质子交换膜这些核心技术。

因此，PEM制氢系统的成本降低和效率提升主要依赖于占总成本 50% 的膜电极。这是PEM制氢技术能否实现大规模市场应用的关键因素。通过对PEM兆瓦级电解槽的分析，可以发现PEM系统当前面临的挑战现状包括高性能和高成本、高电密与使用寿命、高压力与应用场景。

PEM的高性能体现在风光耦合、快速启停、以及产氢的高纯度和高功率等，但这也伴随着高成本的问题。由于系统中贵金属成分未得到有效替代，PEM电解槽成本是传统碱液制氢的4到5倍。

其次是电流密度与使用寿命的关系，目前市场上的PEM和碱性等制氢设备都在提高电流密度。在相同的设备造价基础上，将电流密度从1A提升到2A，成本可以直接下降 30%至40%。提高电流密度能够迅速减轻成本压力，但同时也可能缩短设备的使用寿命。

这表明在工业化运行或项目操作过程中，需要找到电流密度与使用寿命之间的合理性价比或适宜区间，以实现成本与效益的平衡。

PEM系统的输出压力较碱性制氢设备有一定优势，可达3-3.8 MPa，特别适合于天然气产氢及输氢管道输送，这种压力水平也与城市燃气管道的常见压力（约4兆帕）相匹配。

尽管在半导体、人工钻石及某些医药中间体行业中高压力需求不高，但在能源领域，如二次提纯和提压中PEM电解槽的高压应用显得尤为必要。

二、PEM电解槽降本与优化

根据PEM电解槽的现状，其大规模应用的关键在于降低成本和优化性能。目前，成本降低在于优化催化剂体系以降低成本、使用高导电性的支撑材料、替换为高性能的质子交换膜。

1、低贵金属电催化剂的开发与应用

· 降低制造成本

通过降低贵金属（铂铱钌）含量、提高制备工艺效率等方式，可以降低PEM电解槽电催化剂的制造成本，提高产品的市场竞争力。

· 改善稳定性

通过增加非金属元素掺杂、改善晶体结构等方式，可以改善PEM电解槽电催化剂的稳定性，使其在实际使用过程中更 加稳定和可靠。

· 提高性能

通过调节非贵金属的电催化活性、增加比表面积等方式，可以提高PEM电解槽电催化剂的性能，降低反应的活化能垒 ，提高反应速率。

2、高导电性支撑材料的设计与制备

· 提高导电性

通过选择合适的支撑材料、增加催化剂与支撑材料 的接触面积等方式，可以提高PEM电解槽电催化剂 的导电性，降低反应过程中的电阻损失。

· 增加支撑强度

通过增加支撑材料的强度和韧性、改善制备工艺等 方式，可以提高PEM电解槽电催化剂的支撑强度， 防止催化剂在反应过程中发生破裂或脱落。

· 调节微观结构

通过调节支撑材料的微观结构、改变反应物的传输 路径等方式，可以调节PEM电解槽电催化剂的微观 结构，进一步优化反应物的传输和反应过程。

3、质子交换膜结构优化改进

目前，尽管国内许多厂商正在研究质子交换膜，但工业级应用和工业化项目大多仍依赖于美国及其他国家的产品。因此进行质子交换膜的优化、升级和改造工作是非常重要的。

· 选择性透气膜

可以通过引入选择性透气膜来降低气体渗透。这种膜只允许反应气体通过，而阻止其他气体的渗透。

· 夹层结构

可以通过改变夹层结构来降低气体渗透。例如，可以引入一种多孔的垫层，将PEM分成多个小区域，降低气体产物的交叉。

· 气体扩散系数

可以通过降低气体扩散系数来降低气体渗透。这可以通过增加聚合物链的刚性、引入增强材料、改善加工条件等方式实现。

4、浆料成分优化与物理性能提升

· 浆料成分的优化

根据需求，调整浆料中的催化剂、载体成分、离聚体和其他附加物料等，以优化其性能。

· 物理性能的提升

通过提高浆料中的颗粒直径、流变性、Zeta电位等物理性能，可以提升MEA的质量。

· 附加功能的引入

通过引入抗氧化剂、还原剂等附加功能，可以提升MEA的寿命和可靠性。

5、MEA加工工艺措施的改良与优化

· 涂层方法的选择

根据需求，选择合适的涂层方法，如电化学沉积法、超声喷涂法、转印法等，以优化MEA的催化性能。

· 涂装设备的改造

根据需求，对现有涂装设备进行改造，实现辊对辊涂装等，以满足工业需求。

· 涂膜质量的监测

建立涂膜质量检测体系，对涂膜的质量进行实时监测和反馈控制，以确保MEA的质量。

来源：赛克赛斯市场总监王一伟在艾邦第二届电解水制氢产业论坛演讲资料

原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：PEM电解槽降本增效五大方法