PEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战-碳索氢能网

PEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战

人们对PEM电解水寄予厚望，但又缺乏一些信心。寄予厚望是因为比较理想的性能参数和更美好的未来预期可以满足一些幻想；缺乏信心是因为居高不下的价格有些让人望而生畏（尤其在国内碱性和PEM价格差异较大的背景下）。实际上我们有必要澄清一些事实，在国外市场PEM大约是碱性的1.5~2.3倍的价格差异，和在国内动辄3~5倍的价差有很大的差异。这更多是因为国内碱性2000~3000元/KW远远低于国外的碱性价格，国外同样性能的碱性设备大约是国内的1.5~2倍之间。之所以存在这样的现象主要是因为，国内的碱性设备由于多年的存在和发展相对已经平价化了，而PEM则较新生，基于本土化设备较稀缺的背景下，国内和国外进口的设备价格相对会居高不下。当然无论国内外PEM设备都比较昂贵，更多也是基于其现状特有的材料体系。下面我们先简单看看全球范围内PEM现状的一些性能以及未来的期许和重点研发方向，然后再简单讨论一下关于其材料体系的降本空间和方向。

下表是来自于IRNEA统计和汇整的报表：

PEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战

整体看来还是比较有些参考意义的。结合和对比上一篇的碱性设备的一些相关数据，我们也结合实际应用场景（比如风电和光伏的变化速率）再来思考一次，什么样的产品才是适合客户应用场景的产品（一定不能偏离基于需求的性价比）。另闭眼想象一下每平米40000A~60000A（@<1.7V）的电密，产生MW级的功率是多么容易的事儿。每KW低于200美金的单价也足以让其平民化了。当然如何将未来成本降低到现状的五分之一甚至七分之一，主要问题在哪里又该如何去走降本之路？

如众所知，PEMWE在阳极和阴极分别使用了昂贵和稀缺的材料，例如铱（Ir）和铂（Pt），以及多孔传输层（PTL）中的钛基材料。阳极和阴极的当前PGM载量分别为2~5mg IrO2/cm2和1~2mg Pt/cm2，100 MW PEMWE将需要约50kg的Ir（假设典型的Ir负载为2mg Ir/cm2有效面积，基于4 W/cm2的操作条件）。按照目前203美元/克的铱价格，这相当于100兆瓦PEMWE需要约1015万美元的Ir，更不用说地壳中缺乏铱（Ir)和铂（Pt）了。

根根据Minke等人的研究，目前铱和铂的年产量估计分别为7~8吨和200吨，其中37吨主要在加拿大、俄罗斯、南非、美利坚合众国和津巴布韦开采，南非是主要生产国（占全球储量的70%）。

根据Minke等人的说法，如果铱的载量没有显著减少，PGM没有完全回收（至少90%），随着PEMWE安装率在未来50年项目中的提升（装机容量每年线性增长2GW），预计铱的供应可能会出现瓶颈。例如，如果假设2030年欧盟目标的40GW电解槽主要是基于载量为0.50g Ir/kW的PEMWE (0.5 kgIr/MW或500kg Ir/GW)，则需要20吨铱。下表显示了PEMWE的Ir和Pt载量、电流和功率密度以及电极面积目标。

PEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战

由于PGM价格波动性和的稀缺性，一个主要目标是大幅减少其载量，至少降低40倍（对于铱而言），并在未来用不含PGM的催化剂代替它们。降低载量可以通过以下方向进行开发：

（i）非碳质高比表面积（HSA）负载催化剂，

（ii）含有其他丰富材料的合金PGM（例如：其他过渡金属），

（iii）采用更好的制造方法增加催化剂表面积，

（iii）通过使用更好的分散和沉积技术，在膜电极组件中使用催化剂。

下显示了2000-2020年期间铂、铱成本的演变(US$ /g)。历史上铂一直要比铱贵。然而，自2017年以来，Ir价格超过了Pt(自2015年以来，Ir价格上涨了约500%；2021年5月，Ir的价格自2013年以来上涨了20倍)

PEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战

另外在PEM电解槽中会被大量使用的金属钛（Ti），实际上以现状来看，钛的单价（8~10万人民币/吨）是低于在碱性电解槽中广泛使用的金属镍（Ni）的，镍目前的单价约19万人民币/吨左右。为了获得更好的酸性环境中材料的耐蚀性以及导电性在其表面贵金属涂层也会额外增加成本。当然目前已经尝试用不锈钢加其他涂层来适当降低这部分的成本。

至于其MEA中PEM这部分成本是远高于碱性的隔膜（PPS等膜）的，基本都在10倍以上甚至更多。实际上这部分成本随着更多的企业进入，以及全球供应链的成长和完善，未来将会有较大的成本下降空间。

BOP部分的成本下降相对会没有太多技术含量，更多是相关于SUS材料、等阀门仪表和规模效应。

总之，PEM成败关键在于其成本，主要影响因素也是其PGM的使用，这将是一大障碍，但是有突破的可能和希望！