PEM制氫降本“大殺器”來了

2024-11-26 09:58

摘要

電解水制氫有四大技術路徑，堿性（ALK）、質(zhì)子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）和高溫固體氧化物（SOEC）；其中，較為成熟的是ALK和PEM。

目前，ALK是電解水制氫市場的主流應用。ALK的優(yōu)點是設備成本低，缺點是電耗高、體積大、靈活性差；PEM的電耗低、體積小、靈活度高，但設備成本高昂阻礙了其大規(guī)模應用。

以一臺1MW電解槽為例，ALK電解槽的成本為80萬元，而PEM電解槽成本超300萬元。目前，業(yè)內(nèi)基于全新的直通孔結構多孔傳輸層，開發(fā)出“六合一”一體化結構，有望將1MW的PEM電解槽成本降至150萬元，大幅提高PEM制氫的經(jīng)濟性。

未來，PEM制氫技術對ALK制氫技術，能否再現(xiàn)當年光伏行業(yè)單晶硅對多晶硅的替代，我們拭目以待。

“六合一”結構下，1MW的PEM電解槽成本僅150萬元，成本下降基于兩點：

①陽極多孔傳輸層：陽極直通孔結構多孔傳輸層對傳統(tǒng)鈦氈的替代。

1MW的PEM電解槽，未鍍鉑鈦氈的成本為23萬元，未鍍鉑直通孔結構多孔傳輸層的成本僅9萬元，成本下降60%。鈦氈→直通孔結構是多孔傳輸層無序化→有序化的迭代。直通孔結構是在一片薄薄的鈦板上形成眾多有規(guī)則的上下直通的十微米級小孔，相比鈦氈，一是直通孔結構的孔道上下直通，更有利于反應水和氧氣泡的傳輸，二是直通孔結構與催化劑層為面接觸，接觸面更大，電阻更小。

②“六合一”結構：將直通孔結構多孔傳輸層、細目鈦網(wǎng)、粗目鈦網(wǎng)、鈦平板雙極板、粗目鈦網(wǎng)、細目鈦網(wǎng)這六層組件按順序焊接成一體化器件，替代現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”結構。

兩者相比，“六合一”結構下，一是省去鈦雙極板的蝕刻成本，并減少鈦板厚度，降低鈦材用量；二是“六合一”結構僅需在直通孔結構多孔傳輸層陽極側進行貴金屬鍍層，至少減少兩面鍍層，大幅降低貴金屬用量。1MW的PEM電解槽，現(xiàn)有“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”（含三面鍍層）為190萬元，“六合一”結構（含一面鍍層）成本僅為30萬元，成本下降85%。

直通孔結構多孔傳輸層是“六合一”結構的靈魂。一是在性能上，直通孔結構本身相比鈦氈擁有諸多優(yōu)勢，具有更好的傳質(zhì)能力、更低的接觸電阻,且直通孔結構與鈦網(wǎng)為面接觸，焊接點更牢固，壽命更長。二是在成本上，直通孔結構可采用PVD鍍法，而鈦氈為保證壽命一般需要采用電鍍，PVD鍍法的貴金屬用量要比電鍍減少50%以上。

目前，業(yè)內(nèi)已有不少企業(yè)開始嘗試革命性的直通孔結構多孔傳輸層，以及全新的“六合一”結構，PEM制氫技術的進步和降本如火如荼。

星星之火，可以燎原。相信在這些具備開拓精神企業(yè)的引領下，中國氫能產(chǎn)業(yè)必將接棒鋰電、光伏和風電，成為中國新能源產(chǎn)業(yè)的新名片。

引言

電解水制氫有四大技術路徑，堿性（ALK）、質(zhì)子交換膜（PEM）、陰離子交換膜（AEM）和高溫固體氧化物（SOEC）；其中，較為成熟的是ALK和PEM。目前，ALK是電解水制氫市場的主流應用。ALK的優(yōu)點是設備成本低，缺點是電耗高、體積大、靈活性差；PEM的電耗低、體積小、靈活性高，但設備成本高昂阻礙了其大規(guī)模應用。

以一臺1MW（產(chǎn)氫200Nm3/h）電解槽為例，ALK電解槽成本為80萬元，而PEM電解槽成本超300萬元。目前，業(yè)內(nèi)基于全新的直通孔結構多孔傳輸層，開發(fā)出“六合一”一體化結構，有望將1MW的PEM電解槽成本降至150萬元，大幅提高PEM制氫經(jīng)濟性。

未來，PEM制氫技術對ALK制氫技術，能否再現(xiàn)當年光伏行業(yè)單晶硅對多晶硅的替代，我們拭目以待。

多孔傳輸層：鈦氈→直通孔結構，從無序化→有序化的迭代

PEM電解槽有三個關鍵組成部分：①膜電極（質(zhì)子交換膜、陰極鉑催化劑、陽極銥催化劑）；②多孔傳輸層（陰極碳基氣體擴散層GDL、陽極鈦基多孔傳輸層PTL）；③鈦雙極板。電解水制氫過程中，去離子水從陽極側鈦板流道流入，經(jīng)陽極PTL輸送至陽極銥催化層，在其表面發(fā)生氧化反應產(chǎn)生O2和H+，O2經(jīng)陽極PTL從陽極鈦極板收集流出，H+穿過質(zhì)子交換膜在陰極鉑催化層發(fā)生還原反應產(chǎn)生H2，H2再經(jīng)陰極GDL從陰極鈦極板收集流出。

多孔傳輸層（Porous Transport Layer, PTL）位于雙極板和陽極催化劑層之間，在陽極析氧反應中起到輸水（反應水流入）、排氣（氧氣泡排出）、導熱（熱量導出）、導電作用。

產(chǎn)業(yè)界中，陽極多孔傳輸層經(jīng)歷了鈦網(wǎng)→鈦粒燒結板→鈦纖維燒結氈（簡稱鈦氈）等結構，鈦氈因為制作工藝簡單、孔隙率高等特點，是當前國內(nèi)外多孔傳輸層的普遍選擇。

全球主要供應商為比利時貝卡爾特，國內(nèi)鈦氈廠家則主要來自過濾材料的生產(chǎn)企業(yè)。

陽極多孔傳輸層是氣、液、電、熱四相場的集成。

①PTL是氣、液的交匯場，反應水經(jīng)PTL進來，生成的氧氣泡經(jīng)PTL出去，要盡可能讓水、氣的雙向流動更順暢、減少對流阻力；傳統(tǒng)鈦氈結構是無序化的，其內(nèi)部孔道結構分布隨機，導致反應水和氧氣泡在其內(nèi)部傳輸阻力較大。

②PTL要承擔導電的功能，需要盡可能增大與催化層的接觸面；鈦氈與催化劑層的接觸為線接觸，接觸面較小，導致氣、液、固三相交界的電化學反應位點較少，阻抗偏高。

③PTL的結構會對與其接觸的膜電極造成影響；鈦氈表面的孔徑大小不一，標準差大，較大孔徑甚至可能會超過100微米，在陰陽極壓差（3.5MPa）下易將膜電極“擠”進孔道，產(chǎn)生膜電極“鼓包”；同時，較大孔徑處更易反應、損耗更多，“短板效應”會縮短膜電極整體壽命。

針對鈦氈結構的不足，行業(yè)內(nèi)開發(fā)出全新的直通孔結構多孔傳輸層(簡稱SP-PTL，Straight Pore-PTL)。

從第一性原理看，直通孔結構多孔傳輸層

①孔道上下直通，進水、排氧氣更順暢，大電流密度下優(yōu)勢更明顯；

②與催化劑層為面接觸，較大幅度降低接觸面電阻；

③孔道尺寸小于主流PEM膜的厚度、且孔尺寸均一、標準差小，不易產(chǎn)生膜電極鼓包和反應不均一問題。1MW的PEM電解槽，未鍍鉑鈦氈的成本為23萬元，未鍍鉑直通孔結構的成本僅9萬元，成本下降60%。

此外，鈦氈的結構特點決定了其最適宜的鍍層方式為水電鍍，而不太適宜更節(jié)省貴金屬的PVD物理氣相沉積法。鈦氈結構內(nèi)部導電是通過鈦絲與鈦絲的燒結點，在陽極強氧化、強酸環(huán)境下，通常需要將鈦氈內(nèi)部的所有鈦絲燒結點均浸沒在電鍍液中，鍍上鉑金保護層，以保證壽命。

降本利器，PEM“六合一”橫空出世

直通孔結構多孔傳輸層是“六合一”結構的靈魂。

“六合一”結構是將直通孔結構多孔傳輸層、細目鈦網(wǎng)、粗目鈦網(wǎng)、鈦平板雙極板、粗目鈦網(wǎng)、細目鈦網(wǎng)這六層組件按順序焊接成一體化器件，替代現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻鈦雙極板”。

直通孔結構在“六合一”中的作用難以被鈦氈取代，一是鈦氈本身在性能上不及直通孔結構效率高，二是直通孔結構與鈦網(wǎng)為面接觸，其焊接點牢固程度要遠大于鈦氈與鈦網(wǎng)間的線接觸，壽命更長。三是直通孔結構下的鍍層成本要比鈦氈低很多。直通孔結構的“六合一”，可采用PVD物理鍍法，對直通孔結構多孔傳輸層陽極側進行單面鍍鉑；若采用鈦氈，為保證壽命，需對鈦氈及整個“六合一”進行水電鍍化學鍍法，貴金屬用量大大增加。

相較于現(xiàn)有的“鈦氈+蝕刻雙極板+三面鍍鉑”，PEM“六合一”結構降低了三方面成本：

一是用鈦網(wǎng)替代流場，減少了鈦雙極板的蝕刻成本。標準化的鈦網(wǎng)成本遠低于蝕刻雙極板，同時，粗目鈦網(wǎng)+細目鈦網(wǎng)，與SP-PTL形成三級梯度結構，三級梯度的孔徑為等比，更有利于氧氣泡的排出。

二是“直通孔結構多孔傳輸層+粗目/細目鈦網(wǎng)+鈦雙極板”六層組件焊接成一體化器件，減少了2面鉑鍍層成本。在現(xiàn)有結構中，需要對鈦氈兩面、蝕刻鈦雙極板陽極面，共計3面鍍鉑。在PEM“六合一”中，僅需對直通孔結構與陽極催化層接觸面鍍鉑，極大降低貴金屬用量。PEM器件的一體化還減少了多層接觸面電阻，降低電解電壓，提高了電解效率。

三是在鍍層技術選擇上，鈦氈因其內(nèi)部結構復雜，海外常采用電鍍法確保其壽命；而直通孔結構可直接采用PVD鍍層法，鍍層方法簡單，貴金屬鉑用量可減少50%以上。按1MW的PEM電解槽測算，現(xiàn)有鈦氈+蝕刻鈦雙極板（含三面鍍層）為190萬元，“六合一”結構（含一面鍍層）成本僅為30萬元，成本下降85%。