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洞見(jiàn)|技術(shù)突破情境下，PEM電解槽仍有較大的降本空間

2024-10-24 18:11

從材料到系統(tǒng)，PEM電解槽如何降本？

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)PEM電解槽的市場(chǎng)價(jià)格一般仍高達(dá)堿性電解槽的4~5倍。降本一直是PEM電解槽領(lǐng)域的核心話題之一，尤其是能否通過(guò)技術(shù)突破來(lái)降低設(shè)備成本。

近期，國(guó)內(nèi)陸續(xù)有企業(yè)陸續(xù)推出了高電密、薄PEM膜的新型制氫PEM膜電極，根據(jù)披露信息，膜電極的降本帶來(lái)PEM電解槽可降至120萬(wàn)/MW以下（電堆部分），該價(jià)格不到當(dāng)前堿性電解槽的2倍。

能景研究認(rèn)為，PEM電解槽作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不輸于燃料電池的裝備，膜電極僅僅是成本的一部分，在其他環(huán)節(jié)或許也存在較大的降本潛力。本文盤(pán)點(diǎn)了國(guó)內(nèi)外的PEM電解槽技術(shù)進(jìn)展、成本結(jié)構(gòu)，嘗試?yán)迩甯嘟当镜乃悸泛徒当镜目赡苄裕Ｍ麑?duì)行業(yè)有所啟發(fā)。

01 PEM制氫系統(tǒng)的高成本來(lái)源：原材料稀缺性和系統(tǒng)的復(fù)雜性

一套PEM制氫系統(tǒng)包括電堆（本文指不含BOP的槽體）和輔助系統(tǒng)2部分。其中電堆部分負(fù)責(zé)產(chǎn)氣，屬于單獨(dú)的裝備，由極板、電極等組成。輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)電、氣、液、熱等的管理，是一套綜合系統(tǒng)，由儀表、壓力容器、閥具、電子設(shè)備等一系列裝備及零部件組成。

電堆部分有貴金屬、含氟高分子等多種價(jià)值較高的材料。一臺(tái)PEM電解槽電堆主要由膜電極、擴(kuò)散層、雙極板等組成。從材料看，則含有全氟磺酸樹(shù)脂（膜）、銥（陽(yáng)極）、鉑（陰/陽(yáng)極、鍍層）、鈦（擴(kuò)散層、極板）等。其中前3種材料的市場(chǎng)價(jià)格較高，如銥在2024年10月中旬的市價(jià)約1200元/g，鉑約240元/g。鈦的原料價(jià)格較低，但是成型及機(jī)械加工的難度等推高了鈦擴(kuò)散層乃至極板的成本。BOP部分涉及電源、氣液管理等環(huán)節(jié)數(shù)十種零部件，集成化要求高。BOP部分（不僅PEM電解槽）復(fù)雜度較高，如電源部分包括制氫電源、控制柜、配電柜等硬件以及控制程序軟件，氣液管理等部分則包括近20處閥件、壓力/溫度檢測(cè)及反饋儀器等。此外，風(fēng)/光波動(dòng)電源制氫場(chǎng)景給電解槽精細(xì)控制提出了更高要求，部分情況下對(duì)非標(biāo)設(shè)備、進(jìn)口品牌等的需求較大，進(jìn)一步堆高了成本。總體上電堆的材料、BOP的零部件等支撐起了PEM電解槽高成本。在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模下，電堆部分一般在整套系統(tǒng)的成本中占50%左右。其中若不考慮加工成本，則電堆中全氟磺酸樹(shù)脂（膜）、銥、鈦3者合計(jì)占約9成左右。BOP部分在整套系統(tǒng)中占約40%到60%。其中電源電控設(shè)備占到最大成本比例，約3成到5成。實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)不同廠家的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、供應(yīng)鏈等的不同，實(shí)際的成本會(huì)有較大的差異，典型如極板材料、制氫電源技術(shù)路線等都會(huì)對(duì)成本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。能景研究認(rèn)為，PEM電解槽的降本路徑，離不開(kāi)“材料”和“系統(tǒng)”兩個(gè)層級(jí)。現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)化PEM電解槽的技術(shù)仍處于相對(duì)的早期，在材料和系統(tǒng)方面均仍有較大的降本空間。這兩個(gè)方面的技術(shù)突破是能夠?qū)崿F(xiàn)降本的關(guān)鍵。

02 材料降本：以直接或間接地減少材料用量為切入點(diǎn)，或有75%的降本潛力

材料的降本有精進(jìn)加工工藝、優(yōu)化循環(huán)回收技術(shù)、通過(guò)技術(shù)迭代減少材料用量等途徑。若僅考慮電解槽本身的材料成本，則主要通過(guò)減少用量來(lái)實(shí)現(xiàn)。從國(guó)內(nèi)外行業(yè)里的實(shí)踐來(lái)看，減少用量至少有兩個(gè)思路：一是直接減少高價(jià)值材料的用量，二是提高電流密度以間接實(shí)現(xiàn)減省原料。直接減少材料用量方面，從行業(yè)實(shí)踐看有降低含量、尋找替代材料等方式。一是降低含量，如低銥催化劑的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)階段國(guó)外、國(guó)內(nèi)銥含量一般在1~2mg/cm2左右，部分企業(yè)宣布已經(jīng)能夠降至0.3mg/cm2左右。二是尋找替代材料，如非鈦零部件的開(kāi)發(fā)，典型如鍍鉑不銹鋼極板等。提高電流密度方面，現(xiàn)階段相關(guān)高校和企業(yè)等主要從提升催化劑活性、減少膜厚（減少膜阻）等突破。提升催化劑活性、減少膜厚，均是為了實(shí)現(xiàn)在“同樣”的電壓和溫度等條件下，實(shí)現(xiàn)更高的電流，即對(duì)應(yīng)著產(chǎn)氫速度的快慢。理想化的情況下，電流密度提升翻一倍，實(shí)現(xiàn)同樣產(chǎn)氫量所需的膜電極、極板、氣體擴(kuò)散層等的數(shù)量都能減一半。目前，國(guó)內(nèi)外電流密度一般在1.5~2A/cm2左右，部分企業(yè)在研發(fā)3A/cm2及以上級(jí)別電流密度產(chǎn)品。

能景研究認(rèn)為，一方面，通過(guò)新材料、替代材料的應(yīng)用疊加供應(yīng)鏈的優(yōu)化等，根據(jù)能景研究測(cè)算，現(xiàn)階段的PEM電解槽的電堆部分或至少仍有75%的降本潛力。另一方面， 材料類技術(shù)的突破并非一蹴而就的。要實(shí)現(xiàn)“性能”和“可靠性”雙收，既需要依靠不斷的創(chuàng)新、驗(yàn)證和數(shù)據(jù)反饋，也需要更多的時(shí)間去積累和沉淀。

03 系統(tǒng)降本：以“規(guī)模化”效益為思路，或有30%以上的降本潛力

系統(tǒng)降本的一個(gè)實(shí)踐路徑是規(guī)模化。通過(guò)放大單系統(tǒng)的制氫量，壓縮BOP部分的成本。從行業(yè)實(shí)踐來(lái)看，PEM電解槽實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，至少有兩個(gè)思路：一是單堆的大型化，二是多堆的集成化。單堆大型化方面，涉及電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的突破等。結(jié)構(gòu)上，典型如提高PEM電解槽電解單元的堆疊數(shù)量；或是增大每個(gè)電解單元的極板面積，以提高每個(gè)電解單元的產(chǎn)氫量。材料上，如提升電流密度來(lái)提升單堆產(chǎn)氫量等也是一條途徑。目前，海外公開(kāi)的PEM電解槽單堆最大達(dá)到2.5MW ~ 3MW，2024年國(guó)內(nèi)廠家也開(kāi)始陸續(xù)推出1.5MW、2.5MW的產(chǎn)品。多堆集成化方面，涉及BOP的集成設(shè)計(jì)優(yōu)化等。該途徑下，將多臺(tái)PEM電堆集成共用一套BOP系統(tǒng)，如2臺(tái)1MW電堆共同組成2MW的制氫系統(tǒng)。集成為多堆系統(tǒng)后，零部件上，BOP中如氣液分離器、制氫電源等的規(guī)模相應(yīng)放大，系統(tǒng)上，也帶來(lái)了不同槽體之間的協(xié)同控制等新的技術(shù)要求。目前，海外典型如西門(mén)子已實(shí)現(xiàn)了24臺(tái)單槽集成，康明斯等也采用2~3臺(tái)槽的集成策略。國(guó)內(nèi)已知有2臺(tái)左右集成的模塊化產(chǎn)品。

能景研究認(rèn)為，一方面，系統(tǒng)的規(guī)模化能夠帶來(lái)較好的降本效益。假設(shè)制氫系統(tǒng)從1MW放大到10MW，BOP中各類儀表、閥門(mén)等零部件雖然規(guī)格相應(yīng)放大，但成本提升卻遠(yuǎn)不及10倍。結(jié)合行業(yè)調(diào)研，從1MW到10MW的系統(tǒng)，每MW對(duì)應(yīng)的BOP成本至少可以降低約60%（保守估計(jì)，實(shí)際情況更為多樣且復(fù)雜）。另一方面，系統(tǒng)的規(guī)模化并非簡(jiǎn)單的堆積木。尤其在風(fēng)光波動(dòng)電源制氫的場(chǎng)景下，電解制氫系統(tǒng)運(yùn)行的安全和可靠性需要BOP乃至整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同，不同場(chǎng)景、不同的“放大”路線，均離不開(kāi)實(shí)際驗(yàn)證和數(shù)據(jù)迭代的積累，或新型技術(shù)策略的突破。