ALK vs PEM 电解装置介绍及成本对比

技术经济特性对比

目前已经形成产业化的电解槽主要包括碱性（ALK）电解槽和质子交换膜（PEM）电解槽两种。由于碱性电解槽成本较低且技术成熟，成为主流的技术路线。然而，PEM 槽的灵活性和系统附加值使其未来的市场占有率有望提升。

碱性电解槽由于产业化较早且初始投资成本较低，仍然是主要的应用模式。但 PEM 电解槽在连接电网时具备较高的灵活性和系统附加值，能够通过提供辅助服务获得额外收入，从而优化电解槽的利用率和电力采购。此外，PEM 电解槽与绿电发电厂的直接连接可促进积极的商业化应用，未来有望通过技术突破和规模化进一步推广。

目前，ALK 电解槽技术相对成熟，主要用于化工等非能源领域，特别是氯气制造等化学工业。ALK 电解槽的使用寿命已经提高一倍，达到 10-20 年。相比之下，领先的 PEM 电解装置在运行中的灵活性和反应性更高。这种显著提高的运营灵活性使 PEM 能够从多个电力市场获得收益，因为 PEM 技术具有更广泛的工作范围和更短的响应时间。

PEM 电解槽的动态响应能力强，低负载下运行效率较高，带来的灵活性可能会提高电力制氢的整体经济效益。在电压多变的运行条件下，PEM 电解水技术表现出更好的灵活性、快速响应性以及在 0-100% 负荷范围内的稳定性，甚至可以短时间高于额定负荷工作。相较之下，碱性电解水技术在基础机理层面上不如 PEM 电解水技术灵活。

凭借向上和向下调节的功能，PEM 电解槽能够提供高价值的频率控制备用容量（FCR），而不会折损其可用生产能力。只要有足够的氢存储量，PEM 电解槽就可以在为客户供应氢气（用于工业、交通应用或天然气管网的注入）的同时，以较低的额外资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）为电网提供辅助性服务。这种增加的灵活性可能会提升电力制氢的整体经济效益，从而为 PEM 技术提供新的收入来源，以补偿其相对于 ALK 电解槽更高的资本成本。

PEM 电解槽相对 ALK 的运行压力更高，因此在有交通等高压需求应用中需要的后续压缩和处理成本较低。ALK 电解装臵在大气压（高达 15bar）下产生氢气，而 PEM 电解装臵能在比 ALK 电解装臵更高的压力（通常约 30bar）下生产氢气。因此，为达到所需终端使用压力而对下游压缩的需求更低，在交通等有高压需求的应用中尤为明显，从而可以节省后续机械压缩所需要的能源。

成本拆分

电解槽系统成本可以分为膜电极、包括膜电极在内的电堆组件、系统三个层级。第一层级为核心部件膜电极；第二层级为电堆组件，约占总成本的 40%-50%；第三层级为整个电解槽系统，包括电解槽和 BOP 辅助设备（整流器、水净化装臵、氢气处理、冷却部件）。

1） 第一层级：膜电极。膜电极是电解槽的核心部件，为电解反应发生的场所。PEM电解槽的成本主要包括催化剂涂覆膜以及铂、铱金属催化剂，ALK 电解槽的主要成本包括电极和相当一部分的制造成本。

2） 第二层级：包括膜电极在内的电堆组件。电堆组件中除膜电极以外，还包括多孔传输层（PTL）、双极板、端板和其他小组件（垫片、密封件、框架、螺栓等）。第二层级的成本通常占总成本的 40%-50%。

3） 第三层级：电解槽系统。系统成本的范围包括负责核心的电解槽设备与外围的BOP 辅助设备，但不包括进一步压缩气体和存储的设备。构成 BOP 的主要组件包括整流器、水净化装臵、氢气处理（压缩和储存）和冷却部件，这部分约占总成本的 50%-60%。

当前PEM电解槽电堆的电流密度通常为2A/cm²，通过设计改进，有望将其提升至6A/cm²。更高的电流密度可以直接提升功率密度，从而减少单位功率下的材料消耗与设备体积，降低生产成本。  

资料来源：IRIENA Green Hydrogen Cost 2020

PEM 电解槽的重要成本组件为双极板和膜电极，膜电极中铂和铱贵金属的成本占 比高达 38%，并且铱可能为扩大制造规模的瓶颈。对于 PEM 电堆，双极板是一个重要 的成本组件，通常需要金或铂涂层钛作为涂料，也是目前在提高电堆性能和耐用性以及降低成本方面的研发重点之一。对于电堆的核心零部件膜电极（CCM），稀有金属是成本的重要组成部分，虽然仅占整个 PEM 电解系统成本的不到 10%，但特别对于金属铱，可能成为扩大 PEM 电解槽制造规模的瓶颈。

电源和双极板为 PEM 电解槽系统未来实现成本下降的重点。结合 PEM 电解槽系统成本下降潜力和下降空间，电源成本是可以实现成本下降空间最高的领域，其次为双极板，可将 PEM 电解系统总成本下降近四分之一，但下降潜力相对较为有限。水循环和氢气处理等其他 BOP 组件，也是可以实现系统成本降低的重要领域。

ALK 电解槽的重要成本组件为膜片/电极组件，其中制备成本占比超 70%，材料成本相对较低，此外双极板的成本占比也相对较低。对于碱性电解槽，其电堆组件成本中占大头的主要是膜片/电极组件，而这其中主要是制备成本占比超 70%，材料成本仅占15%。在 ALK 电解槽中，膜片和电极组件占比超过 50%，并且由于碱性电堆中双极板的设计和制造较简单且材料（镀镍钢）更便宜，因此碱性双极板仅占电堆成本的一小部分（约 7%），而 PEM 电堆中双极板的成本则超过 50%。

电源和膜片/电极组件制造为 ALK 电解槽系统未来实现成本下降的重点。结合 ALK电解槽系统成本下降潜力和下降空间，同样电源为可以实现成本下降空间最高的领域，其次为膜片/电极组件的制造，核心降本策略为实现包括膜、电极、多孔传输层在内的电堆优化设计，此外水循环设备和氢气处理设备对 BOP 成本降低也较为关键。

目前 PEM 电解槽的铱用量约 1-2.5g/kW，只能满足约 30-75GW 的电解槽产能，未来仍需降低铱用量。目前PEM电解槽中铱的使用量约1-2.5g/kW，而全球铱的年供应量仅约 7-7.5 吨，即只能满足 30-75GW 的 PEM 电解槽产能，因此未来降低 PEM 电解槽中的铱用量仍为技术创新重点之一。

铂、铱非常稀缺，且全球供应高度集中，预计有望维持高价。南非供应全球超过 70%的铂和超过 85%的铱，目前尚未发现或预见铱的替代品，并且铱的供应几乎都来自铂金矿的副产。

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