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PEM电解水制氢系统成本分解
1.PEM电解水制氢系统组成
为了保证安全、方便维护，PEM电解水制氢系统通常采用单元组装式结构，一般将电控部分和电解部分作为独立模块配置。PEM制氢系统主要由辅助系统(电源供应系统、去离子水系统、制氢干燥系统、冷却干燥系统、PLC控制系统)和电解槽等部分组成(见图1、表1和表2)。在整套制氢设备内部，设有水质传感器、压力传感器、氢气泄漏传感器、氢中氧检测仪等多种检测器，用以精确实时监测系统的运行参数，提高安全性、产品质量和工艺效率。PEM电解槽主要组件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层(GDL)、双极板(BP)。
图1一般PEM电解水制氢工艺流程图
2.系统成本分解
IRENA告将PEM电解制氢系统制造成本分成三个层级:①单电池单元；②电解槽；③系统。电解槽仅占电解系统成本的一半，其余是辅机设备和外围设备(balanceofplant,BoP)成本。如图2所示。对于BoP而言，电源是一个非常重要的成本组成部分。
图21MW质子交换膜电解槽从全系统到电解槽→膜电极成本分解
(1)第一层级是单电池单元，即膜电极，这是电解槽的核心，主要电化学过程在这里进行。膜电极成本包括阳极催化剂、阴极催化剂和膜，外加上制造成本。考虑到贵金属的稀缺性，特别是铱，催化剂可能成为扩大PEM电解槽制造规模的供应瓶颈。膜电极的成本占电解槽的较大部分，但占不到整个PEM电解系统成本的10%。
(2)第二层级电解槽成本包括电池单元，再加PTL、BPP、端板和其他部件，如垫片、密封件、框架、螺栓和其他。双极板是一个重要的成本组成部分，因为它们通常用于提供多种功能，并且需要金或铂涂层钛等先进材料。这是创新在提高性能和耐久性以及降低成本方面发挥重要作用的领域之一。目前正在研究用更便宜的材料取代钛，依靠涂层的功能特性不受影响，同时降低成本。电解槽通常占总系统成本的40%～50%,其中多孔传输层和双极板占电解槽成本的60%～70%。
(3)第三个层级是电解系统成本，包括运行PEM电解槽、所有辅机设备和外围设备，但不包括进一步气体压缩和储存的任何部件。辅机设备和外围设备通常包括整流器、水净化装置、氢气处理(水分离和干燥)和冷却组件，这些项目可占总成本的50%～60%。
图3给出了1MW系统成本随年产规模变化的情况。可以看出BoP成本在各种年生产率下的1MW系统总成本中占主导地位。由于一部分BoP部件是从部件供应商处外包的，可能规模化生产成本受这部分外购影响与内部制造BoP部件不同。电力电子设备，包括电源(AC/DC整流器)、电流和电压传感器，在BoP成本中占主导地位。BoP的第二个成本因素是去离子水循环装置，它包含一个较贵的水/氧分离罐，用于分离从电解槽中流出的氧气和水。
图3不同年产量下的1MW质子交换膜电解槽系统成本
PEM电解槽系统的发展趋势是随着时间以及系统规模不断增加的，系统效率逐步提高，产量扩大则会促使成本降低。ITM公司评估认为,PEM电解槽系统成本将从目前的低于1000欧元/千瓦@MW级和低于800欧元/千瓦@10MW,在21世纪20年代中期降低到低于500欧元/千瓦。图4给出了ITM预期的PEM电解系统成本和规模情况。他们最新预测更为乐观，认为到2024年100MWPEM电解系统，便可以降到400英镑(552美元)/千瓦。
图4ITM预期的PEM电解槽系统成本和规模大小随年度变化的情况
图5给出了可能以降低电解槽系统成本的潜在方向，包括改变某些设计参数或PEM堆中使用的某些关键材料的成本降低，这里假设：功率密度提高(+20%);铂用量从11g/m²减少到1g/m²,膜成本(Nafion117与SolvayE98-09S)和电力电子的成本降低20%;规模经济是指在10套/年、100套/年和1000套/年情况下的制造成本。可以发现，制造工程和规模经济在降低PEM系统。
图5研发在降低1MW电解系统成本方面发挥作用领域的瀑布图
成本方面起着关键作用(见图5)。MEA电池的一些设计变化，如铂族金属负载量的减少和膜成本的任何可能的成本降低，也可以在降低电解系统成本方面发挥作用，功率密度提高20%,使用更便宜的膜可以显著降低电解槽的成本。电力电子设备的成本仍然是PEM电解槽系统成本的最大部分。可以预计，电力电子设备成本降低将对PEM电解槽成本产生重大影响。
3.PEM制氢商业化制约因素及解决方案
PEMWE商业化的主要技术方面上的制约因素，包括耐久性、成本和可靠性。在实际中，往往需要在包括技术在内的各种因素之间形成一种协调与平衡。
(1)在运行条件方面，较高的温度、压力和电流密度会对寿命产生负面影响。现在通常采用比较温和的运行条件(如50～60℃、10bar和2A/cm²),而下一代PEMWE将在更高性能、更苛刻的条件下运行(如80℃、70bar和5A/cm²)。应对这些情况的解决方案是更多冗余设计电解槽，采用厚的膜、相对高的催化剂载量，以及PTL和双极板的保护涂层。
(2)在可变载荷方面，联轴器随着可再生电力的变化，将导致电解槽载荷变化，进而产生电压波动，由此可能引发电解槽组件的额外腐蚀，并降低耐久性。
(3)在气体渗透方面，受到大的压差影响，膜的机械稳定性产生负面影响，增加气体渗透，可能导致进一步的膜降解问题。解决这一问题的一个措施是使用额外的再复合催化剂，将渗透到氧侧的氢重新转化回水。
(4)在阳极溶解方面，阳极上的氧化铱溶解取决于温度、电压和电极结构。一种解决方案是使用更多的催化剂(如大于5mg/cm²,或2.5g/kW),并在电解槽组件的保护涂层中使用更多的贵金属。阳极PTL使用厚度超过1mm的多孔钛来支撑膜，该PTL通常涂有铂(大于1mg/cm²,或0.5g/kW),以减少或保护钛的氧化。
(5)关于水杂质方面，水质差是导致PEM电解槽故障的主要原因之一。由于膜、催化剂层中的离聚物、催化剂和PTL等，很容易受到水中杂质影响，因此必须严格把控水质量。
