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從材料、系統的提升，實現性能與成本的適配。

現階段，國內兆瓦級PEM電解槽的市場價格一般仍高達堿性電解槽的4~5倍。如何降本一直是PEM電解槽領域的核心話題之一，尤其是能否通過技術突破來降低設備成本。

近期，國內陸續有企業開始推出了高電密、薄PEM膜的新型制氫PEM膜電極，根據披露信息，膜電極的降本帶來PEM電解槽可降至120萬/MW以下（電堆部分），該價格不到當前堿性電解槽的2倍。這反映出膜電極的優化對推動PEM電解槽降本的巨大潛力。

能景研究認為，PEM電解槽有其結構和材料的特殊性，通過技術突破能夠在原材料、結構、系統等方面獲得提升，從而實現性能與成本的適配，最終行成產業化推廣。

本文從PEM電解槽的技術特點及創新方式入手，結合了國內外PEM電解槽領域的實踐方向，嘗試厘清一些降本的思路，希望對行業有所啟發。

01 PEM電解槽的特殊材料、精密系統造成了較高成本

一套PEM制氫系統包括電堆（本文指不含BOP的槽體）和輔助系統2部分。其中電堆部分負責產氣，屬于單獨的裝備，由極板、電極等組成。輔助系統負責電、氣、液、熱等的管理，是一套綜合系統，由儀表、壓力容器、閥具、電子設備等一系列裝備及零部件組成。

電堆部分一般含有多種高價值材料，成本占單槽系統50%左右。一臺PEM電解槽電堆主要由膜電極、擴散層、雙極板等組成。從PEM電堆部分所用的材料來看，含有全氟磺酸樹脂（膜）、氧化銥（陽極）、鉑（陰/陽極、鍍層）、鈦（擴散層、極板）等多種價值較高的材料。其中前3種材料的市場價格較高，如銥在2024年10月中旬的市價約1200元/g，鉑約240元/g。鈦的原料價格較低，但是成型及機械加工的難度等推高了鈦制品（鍍鉑鈦擴散層和極板）的成本。

BOP系統復雜，一般在整套系統的成本中占約40%到60%。一套BOP中含有近百個零部件。BOP部分涉及電源、氣液管理、熱管理等環節，其中，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/溫度檢測及反饋儀器等。風/光波動電源制氫場景給電解槽精細控制提出了更高要求。如制氫電源部分使用價格更高的IGBT、24脈整流晶閘管等，氣液管理等部分對非標設備、進口品牌等的需求較大，進一步推高了成本。

能景研究認為，PEM電解槽技術的創新突破以及實現與成本之間更好的平衡適配，離不開“材料”和“系統”兩個層級。現有的產業化PEM電解槽的技術仍處于相對早期，在材料和系統方面均有進一步突破的可能性。

02 材料的提升及降本：以直接或間接地減少材料用量為切入點

材料的降本有優化工藝、循環回收、減少材料用量等途徑。其中，在保障性能不減弱的情況下，通過減少高價值材料的使用是降本最為直接的辦法。從國內外行業里的實踐來看，一般來說有3個思路：一是提升材料性能、二是尋找替代材料、三是優化內部結構和材料之間的匹配組合。提升材料性能方面。通過調整材料的組分、微觀結構等方式，在保障可靠性的前提下實現減少銥、鉑等材料的用量。典型如低銥、高活性催化劑的開發。

現階段國內外PEM電解槽應用的膜電極的銥含量一般在1~2mg/cm2左右，也有企業開始推出0.5mg/cm2、0.3mg/cm2等低銥含量的膜電極產品。尋找替代材料方面。通過尋找性能相近的元素或材料，替代現有的較高成本的組分。典型有非銥催化劑，如將銥元素替換為釕、鉑等相對成本較低的元素；非鈦雙極板，如開發鍍鉑不銹鋼極板等；非鉑涂層，如開發金、鈮涂層等（因零部件部位而異）。

目前國內外在非銥催化劑方面仍以研發為主，在雙極板、涂層等部位已有產品開始實踐。

優化內部結構和材料的匹配組合方面。通過優化氣/液流場、改善催化劑/膜/擴散層不同組分之間的接觸面等方式，保障材料本身的性能得到更加充分的發揮，從而減少材料投入。典型如針對不同電流密度的膜電極，選擇適配不同孔隙率的擴散層、不同厚度的鍍層等。目前國內外通過材料本身的優化以及結合結構的匹配等，PEM電解槽已經能夠實現1.5至2A/cm2的電流密度下40000多小時長壽命運行，而近期新推出的電解槽部分達到2A/cm2以上。

能景研究認為，通過新材料、替代材料應用技術的逐步突破，以及不斷的創新、驗證和數據積累，PEM電解槽能夠實現性能和成本之間的更加適配。值得說明的是，這個過程并非一蹴而就的，也需要更多的時間去積累和沉淀。

03 系統的提升及降本：大型化和集成化為思路

通過對系統的改進及創新也是實現性能與成本更好適配的方法。從行業實踐來看，目前對PEM電解槽進行系統進行提升的方式，一般來說有兩個思路：一是單堆的大型化，二是多堆的集成化。單堆大型化方面，主要為電堆的結構設計和零部件的突破等。該途徑下，需研究每個電解單元的性能及其堆疊成單堆的方式。以提升單堆產氫量的過程中，結構設計的突破上，典型如提高PEM電解槽系統中堆疊的單個電解單元數量；或是增大每個電解單元的極板面積，以提高每個電解單元的產氫量。零部件的優化上，如采用更高性能的膜電極及極板來提升每個電解單元的產氫量等也是一條途徑。目前，海外公開的PEM電解槽單堆最大達到2.5MW ~ 3MW，2024年國內廠家也開始陸續推出1.5MW、2.5MW的產品。

多堆集成化方面，主要為BOP的集成及設計優化等。該途徑下，將多臺PEM電堆集成共用一套BOP系統，如2臺1MW電堆共同組成2MW的制氫系統。在過個電堆集成系統的過程中，零部件的使用上，BOP中將共用一套更大規模的氣液分離器、儀表及制氫電源等；系統的設計上，在風光波動電源制氫的場景下，需采用多槽之間的協同控制策略，具體則包括智能化、自動化系統等。目前，海外典型如西門子已實現了24臺單槽集成，康明斯等也采用2~3臺槽的集成策略。國內已知有2臺左右集成的模塊化產品。

能景研究認為，系統的規模化能夠帶來較好的降本效益，假設制氫系統從1MW放大到10MW，BOP中各類儀表、閥門等零部件雖然規格相應放大，但成本不會相應擴大10倍。值得說明的是，電解制氫系統運行的安全和可靠性需要BOP乃至整個系統的協同，不同場景、不同的“放大”路線，均離不開實際驗證和數據迭代的積累，或新型技術策略的突破。

來源：能景研究

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       原文標題 : 洞見| PEM電解槽如何通過技術創新實現降本？