关键水电解制氢技术：PEM电解槽

质子交换膜（PEM）

质子交换膜（PEM）电解槽是一项关键的水电解制氢技术，其商业化可行性很大程度上取决于成本结构。

为了减少PEM电解槽的总体成本并提升其工作效率，降本的主要途径集中于以下几个领域：双极板、多孔传输层（PTL）、催化剂层，以及电堆设计。通过优化这些核心部件的设计和制造工艺，能够显著提升系统性能，同时大幅降低成本。

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PEM电解槽系统组件介绍

PEM电解器采用超薄质子交换膜（0.2mm）和先进结构的电极，实现更低的电阻和更高的效率。

全氟磺酸质子交换膜（PFSA）具有化学稳定性和机械强度，可承受高达70 Pa的高压差。然而，阳极中的酸性环境、高电压和氧析出产生了一种严酷的氧化环境。

因此，需要使用贵金属铱或镀铂钢/钛作为电极材料，它们不仅可以提供电池组件的长期稳定性，还可以提供优异的电子导电性，从而提高反应效率。然而，贵金属催化剂等材料的高成本使得PEM堆比碱性电解槽更昂贵。

PEM电解器的系统设计相对紧凑简单，但对铁、铜、铬和钠等水杂质敏感，容易着火。目前，PEM电解器的电极面积接近2000cm2，但与实现单堆兆瓦级的目标仍有很大差距，此外，大型兆瓦级PEM电解器的可靠性和寿命仍有待验证。

PEM系统组件比碱性系统简单得多，通常只需要一个循环泵、一个热交换器、一个压力控制和监测设备在阳极（氧气）侧。在阴极侧，通常需要气体分离器、用于去除残余氧的脱氧装置、气体干燥器和压缩机。

PEM系统可以在大气压、差压和平衡压力条件下运行，从而降低成本、系统复杂性和维护成本。

1）在平衡的压力条件下，电解槽的两侧在相同的压力下运行，该压力由氧气和氢气调节控制阀控制。

2）在大气压力下（<。1个大气压），一旦阳极有水且电池电压高于环境温度下的热中性电池电压，氢和氧就会在电极上产生。

3）在压力差条件下，PEM膜电解质可以在3-7兆帕的压力差下运行，但需要更厚的膜来提高机械强度和减少气体渗透，以确保效率，通常需要额外的催化剂将由于高压而渗透的氢气转化为水。

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电流密度与电堆设计

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

当前电堆电极面积通常在1500-2000cm²之间，随着技术进步，电极面积可能扩大至5000cm²，甚至超过10000cm²。

为适应这些变化，可以采用更坚固但厚度相同的膜，通过串联来支持更大面积的电堆单元。这些设计改进将使单堆功率从1MW提升至5MW，甚至10MW，从而提升系统经济性。

尽管功率密度提高，运行时仍需保持较低电压，以提高能效并简化热管理。低电压运行不仅减少了电力损耗，还减轻了冷却系统的负担，进一步降低成本。

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膜厚度的减少以提升效率并降低能耗

质子交换膜是PEM电解槽的核心组件，其厚度直接影响能效和电堆的稳定性。

目前，主流的质子交换膜为Nafion N117膜，厚度为180μm，在2A/cm²电流密度下，效率损失约为25%。然而，近年来一些膜的厚度已降至20μm，使效率损失减少到约6%。

虽然降低膜厚度能提高效率并减少能耗，但膜厚度不太可能降到5μm以下。随着厚度的降低，膜的机械强度会下降，导致耐久性减弱，尤其是在高压差条件下，过薄的膜更容易损坏。

此外，薄膜的应用对制造工艺提出了更高要求，特别是在催化剂涂覆和PTL结合时，膜的机械稳定性至关重要，必须确保其能够在较大面积上均匀承受压力，避免损坏。因此，在减薄膜的过程中，维持其机械性能至关重要。