电催化剂。阴、阳极催化剂是 PEM 电解槽的重要组成部分。由于阴、阳极催化剂 是电化学反应的场所，催化剂需要具备良好的抗腐蚀性、催化活性、电子传导率和孔隙 率等特点，才能确保 PEM 电解槽可以有稳定运行。和燃料电池相比，PEM 电解槽在催 化剂的使用上更加依赖贵金属材料。在 PEM 电解槽的强酸性运行环境下，非贵金属材 料容易受到腐蚀，并可能和质子交换膜中的磺酸根离子结合降低质子交换膜的工作性 能。 目前常用的阴极催化剂为以碳为载体材料的铂碳催化剂在酸性和高腐蚀性的环境 下，铂仍然可以保持较高的催化活性，确保电解效率，而碳基材料即为铂提供了载体, 也充当着质子和电子的传导网络。催化剂中的铂载量约在 0.4-0.6g/cm 2，铂的质量分数 约在 20%-60%之间。
气体扩散层（GDL）。气体扩散层(国外简称 GDL 或 PTL)，又称集流器，是夹在阴 阳极和双极板之间的多孔层。气体扩散层作为连接双极板和催化剂层的桥梁，确保了气 体和液体在双极板和催化剂层之间的传输，并提供有效的电子传导。在阳极，液态水通 过气体扩散层传导至催化剂层，被分解为氧气、质子和电子。生成的氧气通过气体扩散 层反向汇流至双极板，质子通过质子交换膜传导至阴极，电子则通过气体扩散层传导至 阳极侧双极板后进入外部电路。在阴极，电子从外部电路通过气体扩散层进入阴极催化 剂层，和质子反应后产生氢气。产生的氢气通过气体扩散层汇流至双极板。因此，为了 确保气、液运输效率和导电性能，气体扩散层既需要拥有合适的孔隙率，也需要拥有良 好的导电性，确保电子传输效率。 PEM 电解槽的气体扩散层材料选择和燃料电池的气体扩散层选择有所不同。燃料 电池通常选择碳纸作为阴极和阳极的气体扩散层材料。在 PEM 电解槽中，由于阳极的 电位过高，高氧化性的运行环境足以氧化碳纸材料，通常选择耐酸耐腐蚀的基材料作为 PEM 电解槽阳极气体扩散层的主要材料，并制作成钛毡结构以确保气液传输效率。
双极板（BP）。双极板不仅是支撑膜电极和气体扩散层的支撑部件，也是汇流气体 （氢气和氧气）及传导电子的重要通道。阴阳极两侧的双极板分别汇流阴极产生的氢气 和阳极产生的氧气，并将它们输出。因此，双极板需要具备较高的机械稳定性、化学稳 定性和低氢渗透性。阳极产生的电子经由阳极双极板进入外部电路，再通过阴极双极板 进入阴极催化层。因此，双极板还需要具备高导电性。 PEM 电解槽双极板和燃料电池双极板的结构和使用材料有很大的区别。在结构方 面，PEM 电解槽双极板不需要加入冷却液对设备进行冷却，使用一板两场的结构就可 以满足运行需求，相比于燃料电池双极板两板三场的结构更为简单。在材料方面，PEM 电解槽中阳极的电位过高，燃料电池常用的石墨板或者不锈钢制金属板容易被腐蚀降 解。使用钛材料可以很好的避免金属腐蚀导致的离子浸出，预防催化剂的活化电位收到 毒害。但由于钛受到腐蚀后，容易在表面形成钝化层，增大电阻，通常会在板上涂抹含 铂的涂层来保护钛板。
5.4 固体氧化物电解制氢（SOE）与核能制氢
SOE（solid oxide electrolysis）是高温固体氧化物电解池的简称，是在高温下将电 能和热能转化为化学能的电解设备。相比常温电解水，SOE 高温电水解可以提供更高 的能源转化效率。随着温度的不断上升，水电解需要的总能量增加幅度较小，但对电能 和热能的需求则产生了比较大的变化。在高温下，SOE 电解水对电能的需求量逐渐减 小，对热能的需求量逐渐增大。这意味着，SOE 电解设备在高温下工作时，可以有效 减少对高品质能源-电能的需求，并提升对低品质能源一废热的利用率。在未来，当可再 生能源或者先进核能供应充足时，SOE 可以成为大规模制氢的技术路线之一。从技术 原理上进行分类，SOE 可分为氧离子传导型 SOE 和质子传导型 SOE。 SOE 制氢分类。由于质子传导型 SOE 在技术层面的要求更高，尤其是材料选择上 存在很多障碍，目前的发展进度远远落后于氧离子传导型 SOE。在市场上，对 SOE 的 商业化尝试主要集中于氧离子传导型 SOE。氧离子传导型 SOE 在电解质中传导氧离子。 和质子传导型 SOE 有所区别的是，氧离子传导型 SOE 从阴极（氢电极）处供给水蒸气。 水分子在得到电子后生成氢气，并电离出氧离子。氧离子经过电解质传导至阳极后，经 氧化形成氧气。
SOE 制氢原理。水电解所需能量随温度变化而变化。SOE 电解的能量来源由电能 和热能两部分构成即：ΔH=ΔG TΔS 电解需要的 ΔG 随着温度的升高而降低；在 100℃ 时 ΔG 在整个所需能量 ΔH 中的比重约为 93%，而温度升高到 1000℃时只有约 72%。 随着 ΔG 的降低，水的理论分解电压也随温度的升高而降低，即高温下（600-1000℃） 电解水可以降低制氢过程中电能的消耗，增加热能的比例。 从热力学角度，高温电解相对低温电解具有更高的能量转化效率优势。目前的低温 电解方式如碱性电解和聚合物电解，由于其电解质为液态和聚合物，其工作温度一般在 100℃左右,而采用固体氧化物电解质完全可满足高温操作的要求。从动力学的角度，高 操作温度可以加快电极反应速率，使阴极和阳极的过电位显著降低，有效地减少了电解 过程的能量损失。SOE 采用氧离子导体材料作为电解质，其离子电导率随着温度的升 高而增加，进一步降低了其欧姆损失。
在国家“863 计划”支持下，我国 10MWt 高温气冷试验堆已在清华大学核能与新 能源技术研究院建成并实现满功率运行。在国家科技重大专项支持下，200MWe 高温气 冷堆核电站示范工程的建设正在进行；核能制氢和氦气透平等前瞻性技术的研发已开 展。在可用于核能制氢的反应堆堆型中，高温气冷堆因其高出口温度和固有安全性等优 势，被认为是最适合用于制氢的堆型。核能制氢是高温气冷堆发电外最重要的用途，将 为未来高温堆的应用拓展新的领域。核能制氢技术研发既有利于保持我国高温气冷堆技 术的国际领先优势，也为未来氢气的大规模供应提供了一种有效的解决方案，同时可为 高温堆工艺热应用开辟新的用途，对实现我国未来的能源战略转变具有重大意义。
5.5 电解水制氢技术经济性分析
电解水制氢成本经验公式。一般制氢成本分为固定成本和可变成本，固定成本包括 设备折旧、人工、运维等，可变成本包括制氢过程的电耗和水耗。由此得公式：制氢成 本=电价×单位电耗 （每年折旧 每年运维）/每年制氢总量 单位水耗×水价。
碱性电解水制氢成本。一般碱性电解槽的成本与其制氢能力有关，制氢能力越大， 成本越高。其中 1000Nm3 /h 的制氢能力是当前碱性电解槽单台设备制氢能力的上限， 其价格在 700 万-1000 万元之间。 我们假设：（1）1000Nm3 /h 碱性电解槽成本 850 万元，不含土地费用，土建和设 备安装 150 万元；（2）每 1m 3氢气消耗原料水 0.001t，冷却水 0.001t，水费 5 元/t；（3） 设备折旧期 10a，土建及安装折旧期 20a，采用直线折旧，无残值，设备每年折旧 10%， 土建和安装每年折旧 5%；（4）工业用电价格 0.4 元/kWh，每 1m 3氢气耗电 5kWh；（5） 每年工作 2000h，每年制氢 200 万 Nm3；（6）人工成本和维护成本每年 40 万元。 通过计算我们得出：碱性电解水制氢电耗成本占比为 74.9%，设备折旧费用占比为 15.7%，单位体积制氢成本为 2.67 元/m³ H2，单位质量制氢成本为 30.00 元/kgH2。降 低碱性电解水制氢成本的主要途径是降低电价。
根据国家发改委的《中国 2050 年光伏发展展望（2019）》的预测，至 2035 年和 2050 年光伏发电成本相比 2019 年预计约下降 50%和 70%，达到 0.2 元/kWh 和 0.13 元/kWh。我们对碱性电解水制氢成本进行敏感性分析建模，在电价为 0.2 元/kWh 时， 年产氢量为 200 万 Nm3情况下，碱槽制氢的成本为 18.8 元/kgH2；在电价为 0.13 元/kWh 时，年产氢量为 200 万 Nm3情况下，碱槽制氢的成本为 15.4 元/kgH2。伴随设备产氢 量的增加，制氢成本还会进一步降低。
PEM 电解水制氢成本。我们假设:（1）500Nm3 /h 的 PEM 电解槽成本 3000 万元， 不含土地费用，土建和设备安装 200 万元；（2）每 1m 3 氢气消耗原料水 0.001t，冷却 水 0.001t，水费 5 元/t；（3）设备折旧期 10a，土建及安装折旧期 20a，采用直线折旧， 无残值，设备每年折旧 10%，土建和安装每年折旧 5%；（4）工业用电价格 0.4 元/kWh， 每 1m 3氢气耗电 4.5kWh；（5）每年工作 2000h，每年制氢 100 万 Nm 3；（6）人工成本 和维护成本每年 40 万元。 通过计算我们得出：PEM 电解水制氢电耗成本占比为 50%，设备折旧费用占比为 43%，单位体积制氢成本为 5.25 元/m³ H2，单位质量制氢成本为 58.99 元/kgH2。设备折旧成本占比电解水制氢成本较大，除降低电价外，降低设备成本也是降低 PEM 电解 水制氢成本的主要途径。
我们对 PEM 电解水制氢成本进行敏感性分析建模，在电价为 0.2 元/kWh 时，年产 氢量为 100 万 Nm3 情况下，碱槽制氢的成本为 48.9 元/kgH2；在电价为 0.13 元/kWh 时，年产氢量为 100 万 Nm 3情况下，碱槽制氢的成本为 45.8 元/kgH2。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】。
