现阶段，国内兆瓦级PEM电解槽的市场价格一般仍高达碱性电解槽的4~5倍。如何降本一直是PEM电解槽领域的核心话题之一，尤其是能否通过技术突破来降低设备成本。
近期，国内陆续有企业开始推出了高电密、薄PEM膜的新型制氢PEM膜电极，根据披露信息，膜电极的降本带来PEM电解槽可降至120万/MW以下（电堆部分），该价格不到当前碱性电解槽的2倍。这反映出膜电极的优化对推动PEM电解槽降本的巨大潜力。
能景研究认为，PEM电解槽有其结构和材料的特殊性，通过技术突破能够在原材料、结构、系统等方面获得提升，从而实现性能与成本的适配，最终行成产业化推广。
本文从PEM电解槽的技术特点及创新方式入手，结合了国内外PEM电解槽领域的实践方向，尝试厘清一些降本的思路，希望对行业有所启发。
01 PEM电解槽的特殊材料、精密系统造成了较高成本
一套PEM制氢系统包括电堆（本文指不含BOP的槽体）和辅助系统2部分。其中电堆部分负责产气，属于单独的装备，由极板、电极等组成。辅助系统负责电、气、液、热等的管理，是一套综合系统，由仪表、压力容器、阀具、电子设备等一系列装备及零部件组成。电堆部分一般含有多种高价值材料，成本占单槽系统50%左右。一台PEM电解槽电堆主要由膜电极、扩散层、双极板等组成。从PEM电堆部分所用的材料来看，含有全氟磺酸树脂（膜）、氧化铱（阳极）、铂（阴/阳极、镀层）、钛（扩散层、极板）等多种价值较高的材料。其中前3种材料的市场价格较高，如铱在2024年10月中旬的市价约1200元/g，铂约240元/g。钛的原料价格较低，但是成型及机械加工的难度等推高了钛制品（镀铂钛扩散层和极板）的成本。BOP系统复杂，一般在整套系统的成本中占约40%到60%。一套BOP中含有近百个零部件。BOP部分涉及电源、气液管理、热管理等环节，其中，电源部分包括制氢电源、控制柜、配电柜等硬件以及控制程序软件，气液管理等部分则包括近20处阀件、压力/温度检测及反馈仪器等。风/光波动电源制氢场景给电解槽精细控制提出了更高要求。如制氢电源部分使用价格更高的IGBT、24脉整流晶闸管等，气液管理等部分对非标设备、进口品牌等的需求较大，进一步推高了成本。能景研究认为，PEM电解槽技术的创新突破以及实现与成本之间更好的平衡适配，离不开“材料”和“系统”两个层级。现有的产业化PEM电解槽的技术仍处于相对早期，在材料和系统方面均有进一步突破的可能性。02 材料的提升及降本：以直接或间接地减少材料用量为切入点材料的降本有优化工艺、循环回收、减少材料用量等途径。其中，在保障性能不减弱的情况下，通过减少高价值材料的使用是降本最为直接的办法。从国内外行业里的实践来看，一般来说有3个思路：一是提升材料性能、二是寻找替代材料、三是优化内部结构和材料之间的匹配组合。提升材料性能方面。通过调整材料的组分、微观结构等方式，在保障可靠性的前提下实现减少铱、铂等材料的用量。典型如低铱、高活性催化剂的开发。
现阶段国内外PEM电解槽应用的膜电极的铱含量一般在1~2mg/cm2左右，也有企业开始推出0.5mg/cm2、0.3mg/cm2等低铱含量的膜电极产品。寻找替代材料方面。通过寻找性能相近的元素或材料，替代现有的较高成本的组分。典型有非铱催化剂，如将铱元素替换为钌、铂等相对成本较低的元素；非钛双极板，如开发镀铂不锈钢极板等；非铂涂层，如开发金、铌涂层等（因零部件部位而异）。目前国内外在非铱催化剂方面仍以研发为主，在双极板、涂层等部位已有产品开始实践。
优化内部结构和材料的匹配组合方面。通过优化气/液流场、改善催化剂/膜/扩散层不同组分之间的接触面等方式，保障材料本身的性能得到更加充分的发挥，从而减少材料投入。典型如针对不同电流密度的膜电极，选择适配不同孔隙率的扩散层、不同厚度的镀层等。目前国内外通过材料本身的优化以及结合结构的匹配等，PEM电解槽已经能够实现1.5至2A/cm2的电流密度下40000多小时长寿命运行，而近期新推出的电解槽部分达到2A/cm2以上。
能景研究认为，通过新材料、替代材料应用技术的逐步突破，以及不断的创新、验证和数据积累，PEM电解槽能够实现性能和成本之间的更加适配。值得说明的是，这个过程并非一蹴而就的，也需要更多的时间去积累和沉淀。
通过对系统的改进及创新也是实现性能与成本更好适配的方法。从行业实践来看，目前对PEM电解槽进行系统进行提升的方式，一般来说有两个思路：一是单堆的大型化，二是多堆的集成化。单堆大型化方面，主要为电堆的结构设计和零部件的突破等。该途径下，需研究每个电解单元的性能及其堆叠成单堆的方式。以提升单堆产氢量的过程中，结构设计的突破上，典型如提高PEM电解槽系统中堆叠的单个电解单元数量；或是增大每个电解单元的极板面积，以提高每个电解单元的产氢量。零部件的优化上，如采用更高性能的膜电极及极板来提升每个电解单元的产氢量等也是一条途径。目前，海外公开的PEM电解槽单堆最大达到2.5MW ~ 3MW，2024年国内厂家也开始陆续推出1.5MW、2.5MW的产品。多堆集成化方面，主要为BOP的集成及设计优化等。该途径下，将多台PEM电堆集成共用一套BOP系统，如2台1MW电堆共同组成2MW的制氢系统。在过个电堆集成系统的过程中，零部件的使用上，BOP中将共用一套更大规模的气液分离器、仪表及制氢电源等；系统的设计上，在风光波动电源制氢的场景下，需采用多槽之间的协同控制策略，具体则包括智能化、自动化系统等。目前，海外典型如西门子已实现了24台单槽集成，康明斯等也采用2~3台槽的集成策略。国内已知有2台左右集成的模块化产品。能景研究认为，系统的规模化能够带来较好的降本效益，假设制氢系统从1MW放大到10MW，BOP中各类仪表、阀门等零部件虽然规格相应放大，但成本不会相应扩大10倍。值得说明的是，电解制氢系统运行的安全和可靠性需要BOP乃至整个系统的协同，不同场景、不同的“放大”路线，均离不开实际验证和数据迭代的积累，或新型技术策略的突破。现在微信公众号打乱了时间线。希望喜欢【能景氢研】的读者朋友们将本号【设为星标★】，方便找到我们。
