近日，国泰君安发布氢能研究报告，报告针对电解水制氢的不同技术路线做出详细分析。报告作出预判，未来，PEM制氢技术有可能成为低成本制氢的主流技术。
电解水制氢有四大技术路径，碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和高温固体氧化物（SOEC）；其中，较为成熟的是ALK和PEM。
电解水制氢技术的主流是谁
电解水制氢有四大技术路径，碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和高温固体氧化物（SOEC）；其中，较为成熟的是ALK和PEM。目前，ALK是电解水制氢市场的主流应用。ALK的优点是设备成本低，缺点是电耗高、体积大、灵活性差；PEM的电耗低、体积小、灵活性高，但设备成本高昂阻碍了其大规模应用。
以一台1MW（产氢200Nm3/h）电解槽为例，ALK电解槽成本为80万元，而PEM电解槽成本超300万元。目前，业内基于全新的直通孔结构多孔传输层，开发出“六合一”一体化结构，有望将1MW的PEM电解槽成本降至150万元，大幅提高PEM制氢经济性。
未来，PEM制氢技术对ALK制氢技术，能否再现当年光伏行业单晶硅对多晶硅的替代，我们拭目以待。
从无序化→有序化的迭代
PEM电解槽有三个关键组成部分：①膜电极（质子交换膜、阴极铂催化剂、阳极铱催化剂）；②多孔传输层（阴极碳基气体扩散层GDL、阳极钛基多孔传输层PTL）；③钛双极板。电解水制氢过程中，去离子水从阳极侧钛板流道流入，经阳极PTL输送至阳极铱催化层，在其表面发生氧化反应产生O2和H+，O2经阳极PTL从阳极钛极板收集流出，H+穿过质子交换膜在阴极铂催化层发生还原反应产生H2，H2再经阴极GDL从阴极钛极板收集流出。
多孔传输层（Porous Transport Layer, PTL）位于双极板和阳极催化剂层之间，在阳极析氧反应中起到输水（反应水流入）、排气（氧气泡排出）、导热（热量导出）、导电作用。
产业界中，阳极多孔传输层经历了钛网→钛粒烧结板→钛纤维烧结毡（简称钛毡）等结构，钛毡因为制作工艺简单、孔隙率高等特点，是当前国内外多孔传输层的普遍选择。
全球主要供应商为比利时贝卡尔特，国内钛毡厂家则主要来自过滤材料的生产企业。
阳极多孔传输层是气、液、电、热四相场的集成。
①PTL是气、液的交汇场，反应水经PTL进来，生成的氧气泡经PTL出去，要尽可能让水、气的双向流动更顺畅、减少对流阻力；传统钛毡结构是无序化的，其内部孔道结构分布随机，导致反应水和氧气泡在其内部传输阻力较大。
②PTL要承担导电的功能，需要尽可能增大与催化层的接触面；钛毡与催化剂层的接触为线接触，接触面较小，导致气、液、固三相交界的电化学反应位点较少，阻抗偏高。
③PTL的结构会对与其接触的膜电极造成影响；钛毡表面的孔径大小不一，标准差大，较大孔径甚至可能会超过100微米，在阴阳极压差（3.5MPa）下易将膜电极“挤”进孔道，产生膜电极“鼓包”；同时，较大孔径处更易反应、损耗更多，“短板效应”会缩短膜电极整体寿命。
针对钛毡结构的不足，行业内开发出全新的直通孔结构多孔传输层(简称SP-PTL，Straight Pore-PTL)。
从第一性原理看，直通孔结构多孔传输层①孔道上下直通，进水、排氧气更顺畅，大电流密度下优势更明显；
②与催化剂层为面接触，较大幅度降低接触面电阻；
③孔道尺寸小于主流PEM膜的厚度、且孔尺寸均一、标准差小，不易产生膜电极鼓包和反应不均一问题。1MW的PEM电解槽，未镀铂钛毡的成本为23万元，未镀铂直通孔结构的成本仅9万元，成本下降60%。
此外，钛毡的结构特点决定了其最适宜的镀层方式为水电镀，而不太适宜更节省贵金属的PVD物理气相沉积法。钛毡结构内部导电是通过钛丝与钛丝的烧结点，在阳极强氧化、强酸环境下，通常需要将钛毡内部的所有钛丝烧结点均浸没在电镀液中，镀上铂金保护层，以保证寿命。
PEM“六合一”成为 降本利器
直通孔结构多孔传输层是“六合一”结构的灵魂。
“六合一”结构是将直通孔结构多孔传输层、细目钛网、粗目钛网、钛平板双极板、粗目钛网、细目钛网这六层组件按顺序焊接成一体化器件，替代现有的“钛毡+蚀刻钛双极板”。直通孔结构在“六合一”中的作用难以被钛毡取代，
一是钛毡本身在性能上不及直通孔结构效率高，二是直通孔结构与钛网为面接触，其焊接点牢固程度要远大于钛毡与钛网间的线接触，寿命更长。三是直通孔结构下的镀层成本要比钛毡低很多。直通孔结构的“六合一”，可采用PVD物理镀法，对直通孔结构多孔传输层阳极侧进行单面镀铂；若采用钛毡，为保证寿命，需对钛毡及整个“六合一”进行水电镀化学镀法，贵金属用量大大增加。
相较于现有的“钛毡+蚀刻双极板+三面镀铂”，PEM“六合一”结构降低了三方面成本：
一是用钛网替代流场，减少了钛双极板的蚀刻成本。标准化的钛网成本远低于蚀刻双极板，同时，粗目钛网+细目钛网，与SP-PTL形成三级梯度结构，三级梯度的孔径为等比，更有利于氧气泡的排出。
二是“直通孔结构多孔传输层+粗目/细目钛网+钛双极板”六层组件焊接成一体化器件，减少了2面铂镀层成本。在现有结构中，需要对钛毡两面、蚀刻钛双极板阳极面，共计3面镀铂。在PEM“六合一”中，仅需对直通孔结构与阳极催化层接触面镀铂，极大降低贵金属用量。PEM器件的一体化还减少了多层接触面电阻，降低电解电压，提高了电解效率。
三是在镀层技术选择上，钛毡因其内部结构复杂，海外常采用电镀法确保其寿命；而直通孔结构可直接采用PVD镀层法，镀层方法简单，贵金属铂用量可减少50%以上。按1MW的PEM电解槽测算，现有钛毡+蚀刻钛双极板（含三面镀层）为190万元，“六合一”结构（含一面镀层）成本仅为30万元，成本下降85%。
以1MW的PEM电解槽为例，工作电压1.85V、电流密度1.85A/cm2，50-60℃工况，N115膜。
现有“钛毡+蚀刻双极板”结构下，PEM电解槽电堆成本313万元，“六合一”结构下，PEM电解槽电堆成本仅150万元，成本下降50%。若在PEM“六合一”基础上，考虑膜电极技术进步，如质子交换膜国产化、铱催化剂载量降低，PEM电解槽电堆成本不超过100万元。
目前，业内已有不少企业开始尝试革命性的直通孔结构多孔传输层，以及全新的“六合一”结构，PEM制氢技术的进步和降本如火如荼。星星之火，可以燎原。相信在这些具备开拓精神企业的引领下，中国氢能产业必将接棒锂电、光伏和风电，成为中国新能源的新名片。
来源：国泰君安证券、产业观察者