PEM 电解槽主要由膜电极、气体扩散层和双极板组成，其中膜电极由阴极、阳极催化剂层和质子交换膜组成。电解水制氢的成本主要根据电力成本、电解槽投资所需成本和运行负荷，其中。随着电力成本下降，设备投资所需成本的占比逐渐增加。图 1 列出了 1MW 的 PEM 电解槽系统的成本组成。能够准确的看出，辅助设备（BOP）成本在系统总成本中占比最大，包括电源、泵、氢气纯化装置、压缩机和存储罐等外部组件。，膜电极成本约占四分之一，主要是由贵金属催化剂、隔膜和生产制造组成。贵金属约占系统成本的 10%，预计未来 PEM 电解槽的扩产瓶颈可能不取决于贵金属的高成本，而是其供应可用性，因此就需要尽量降低贵金属的使用量或开发替代材料。

  由于1MW的PEM制氢系统容量较小，所需配备的BOP成本占比相比来说较高。对于电堆层面，能够最终靠两种途径来减少相关成本：一是改进电堆设计和单元组成以实现更高的效率和耐久性，二是增加模块容量，提高BOP组件的规模经济性。随着系统模块容量增加，对BOP规模经济性的影响明显大于对电堆的影响，导致电堆对系统成本的贡献更大。比如模块从1MW增加到10MW时，十倍大的压缩机成本增加只有4倍而非10倍，而电解槽的成本则增加9-10倍（图2a）。此外，提高电解槽工厂的生产规模可以对成本产生积极影响，通过提高设备利用率，实现更快、更高的工艺产量。当工厂制造规模从10MW/年扩大到1GW/年，预计电堆成本会降低70%，明显大于BOP的成本降幅（图2b）。这是由于电堆制造可以从手动组装过渡到自动化组装，还伴随先进的膜电极和双极板等组件制造工艺。因此，从技术角度来说，目前面临的主要挑战之一是如何通过对关键材料性能和电堆组件制造工艺的技术创新，来提升PEM电解槽的性能，降低PEM制氢的电堆成本。

  近年来，全球可再次生产的能源PEM电解水制氢项目发展迅速，项目数量和装机规模一直上升，装机规模已迈入10MW级别。2021年7月，壳牌公司的10MW PEM电解制绿氢项目在德国莱茵兰炼油厂投运，电解槽由ITM Power提供，每年可生产约1300吨氢气。同年，康明斯与液化空气合作建设的20MW PEM电解槽在加拿大魁北克投入商业运营，该项目为目前世界上顶级规模的PEM制氢项目，年产约3000吨氢气。最近，康明斯宣布将为美国佛罗里达电力照明公司提供25MW的PEM电解水制氢系统，该系统由五台HyLYZER-1000设备组成，每天可生产10.8吨氢气，并将于2023年投运。西门子公司将为从欧洲能源公司(European Energy)的电转甲醇项目的50MW电解工厂提供PEM电解槽。ITM与林德公司计划在德国建厂生产24MW的世界上最大的PEM电解槽。此外，ITM Power、西门子等公司也在计划启动GW级规模的PEM制氢设备的自动化、规模化生产线。

  国内PEM电解水制氢应用示范项目的部署相对缓慢，近两年才慢慢的出现MW级示范项目（表1）。目前聚焦研发技术和设备生产的科研机构和企业主要有中科院大化所、山东赛克赛斯、中船718所、淳华氢能等。近两年，阳光电源、国电投和中石化等企业也开始布局PEM电解槽的研发和生产。与国外相比，国内的PEM电解水技术在技术成熟度、装置规模、关键材料性能和可靠性验证等方面还存在一定差距。2021年以来，国内PEM电解水设备的产业化和市场应用均有所突破。2021年10月，中科院大化所研制的兆瓦级PEM电解水制氢系统在国网安徽公司氢综合利用站实现满功率运行。该系统额定产氢220Nm³/h，峰值产氢达到275Nm³/h。2022年2月，中石化联手康明斯在广东佛山启动GW级产线的建设，生产HyLYZER®系列的PEM电解水制氢设备，将于2023年一期实现年产500MW的能力。在基础材料方面，国内PEM电解槽材料企业最近也开始做国产化替代的尝试。武汉理工氢电已实现膜电极的小批量对外供货，鸿基创能已布局PEM电解槽的膜电极产线。中科科创已对催化剂进行批量对外供货，玖昱科技、浙江菲尔特等公司实现了阳极钛毡气体扩散层的批量化供货，上海治臻也开始推出PEM电解槽专用的钛板双极板。随着国产燃料电池产业化的提速和成本下降，未来其成本下降的效益可以被PEM制氢设备共享。预计未来对大型PEM电解水制氢设备的需求将进一步增加，随着产能扩大、设备国产化和技术提升，国产PEM制氢系统的成本有望下降50%以上。

  PEM 电解水的速率控制步骤主要由阳极析氧反应（OER）所决定，且阳极极化为主要的电极极化。目前商业上普遍采用铱黑或 IrO2 作为 OER 催化剂，其成本大约占电解槽的 10%。由于铱存在高成本和低储量的限制，研究人员始终致力于降低铱催化剂的用量并提高其单位质量活性。

  通过与其他金属进行二元或多元复合掺杂能大大的提升Ir催化剂的活性和稳定能力。Cheng 等采用Adams 熔融法制备了组分含量不同的 IrxRu1-xO2（x = 0.2, 0.4, 0.6）复合催化剂，活性优于 IrO2，稳定性优于 RuO2。其中 Ir0.2Ru0.8O2 表现出最优异的电解性能，Ir0.4Ru0.4O2 的稳定性最佳。Siracusano 等制备了纳米尺寸（直径为 5nm）的 IrO2 和Ir0.7Ru0.3O2 催化剂，二者具有相似的晶体性质、形貌和粒径尺寸，但 Ir0.7Ru0.3O2 催化剂的电解电压比 IrO2催化剂低 0.1 V，这归结于Ir0.7Ru0.3O2具有更低的电荷转移电阻，导致电化学过程的活化能更低。Xu 等采用超声分散的浸渍还原法，再经过融熔处理合成了新型Ir0.7Ru0.3O2/Pt0.15 复合物，电解性能优于 PtIrO2 商用催化剂，这归结于该催化剂具有更均匀的颗粒尺寸和更高的比表面积。Jiang 等将不同含量的 Sn 掺杂到IrO2 表面，获得了小孔隙、锯齿状结构的Ir0.6Sn0.4O2复合催化剂，其电解性能为 2 A/cm2@1.963 V，Ir 用量仅 0.294 mg/cm2。与 Ir 黑催化剂相比， IrSn 复合催化剂显示出更优异的质量活性和稳定性。

  选择耐氧化、比表面高的材料作为催化剂载体，能改善Ir的分散度，提高Ir的利用率和活性。Puthiyapura 等将 ATO 纳米颗粒（22-44nm）作为载体制备了 IrO2/ATO 催化剂。与 IrO2 相比， 60wt%IrO2/ATO 催化剂的 PEM 电解水（PEMWE）性能更优，这是由于其具有高比表面积和高电导率以及更小晶粒尺寸。Zhao 等采用多元醇还原法将 Ir 纳米粒子分散在掺钨氧化钛 WxTi1-xO2 载体上，发现Ir38%/WxTi1-xO2的质量活性和稳定能力均优于商业 Ir 黑，在 1200h 的耐久性测试中电压仅上升不到 20mV。李佳坤在掺杂 Co 的SnO2载体上制备出 IrO2 /CoxSn1-xO2催化剂（x=0.1、0.2、0.3），IrO2 /CoxSn1-xO2 催化剂表现出比 IrO2更低的过电位。Sui等采用化学还原和沉积相结合的方法制备了不同负载量的Ir/TiC 催化剂，40Wt%Ir/TiC 催化剂的（Ir 用量 0.5mg/cm2）电解性能为 1A/cm2@1.8V。为保证催化剂的耐久性，制备兼具比表面高、导电率高、耐腐蚀且低成本的载体是未来的研究方向。

  设计新型结构的催化剂，如核壳结构、纳米阵列薄膜等，也是提高Ir利用率的有效手段。Pham 等报道了一种核壳结构的 IrO2@TiO2 催化剂，IrO2 包覆在微孔结构的 TiO2 颗粒外层。当 Ir 用量仅为0.4mg/cm2时，PEMWE 性能为 1A/cm2 @1.67 V，明显优于商用 IrO2 和 IrO2/TiO2 催化剂。Zhu 等利用 NaBH4 连续还原策略制备了一种具有超薄外壳的 IrCo 纳米空心球，其单位质量 OER 活性是商业 IrO2的 5.7 倍，明显优于其他文献报道的 Ir 基催化剂。Park 等通过利用双Ir 前驱体和双过渡金属（Ni 和Cu）前驱体结合的方法，合成了一种具有八面体形态纳米框架结构的 CuNi@Ir 核壳催化剂，其 OER 活性高于 Ir/C 催化剂。3M 公司使用一种有机纳米晶须（PR149）作为载体制备出有序化纳米薄膜结构（NSTF）的 PEMWE 催化剂（图 3）。在阳极Ir 用量仅为 0.25 mg/cm2时，可以在很高的电流密度下运行，性能为 10 A/cm2@2V。经过 2 A/cm2下的 5000 小时耐久性试验，衰减率仅为 6.8μV/h。大连化物所团队最近也报道了一种有序阵列结构的 Rs 催化剂，其结构为缺陷的 Ir 薄膜包覆在 WOx纳米棒的外部。该催化剂制备的膜电极表现出很好的 PEMWE 性能（2.2 A/cm2@2V）和 1020 小时的稳定性，Ir 用量仅为144μg/cm2。

  质子交换膜是极化损失的主要贡献者，其成本约占电堆的 5%，需要承受高压（3MPa)、低负荷运行和频繁启停的运行环境。目前商业的PEM电解槽主要是采用杜邦公司的全氟磺酸质子膜（PFSA，Nafion®），此外也有陶氏化学、3M、戈尔、日本旭硝子等公司开发的短侧链PFSA膜。Siracusano 等研究之后发现与厚度相近的长链 Nafion 115 膜（EW 1100 g/eq）相比，Aquivion-E87-12S 短侧链全氟磺酸膜（EW 870 g/eq）的膜电极性能更好，具有更低的欧姆阻抗和更高的电化学性能。

  全氟磺酸膜在长时间运行中由于机械损坏、杂质污染和化学降解等原因非常容易失效，导致电化学性能降低。不过金属离子杂质污染导致的失效是可逆的，使用 0.5 M H2SO4 对 Nafion 117 膜处理后，发现经过 7800 h 测试后的 PEMWE 性能基本不变。

  研究发现，使用更薄的 PFSA 膜能够更好的降低极化损失，但也会降低膜的机械强度和气体渗透阻力，影响稳定性和气体产物纯度。人们通过引入聚芳烯类的聚合物对膜进行结构强化和改性，比如聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PSF）以及聚苯咪唑（PBI）等，这类非 PSFA 膜具有较低成本和良好的化学机械稳定性。Jang 等采用 PSF 和 PEEK 为基材与钨磷酸（TPA）混和制备了复合离子交换膜（SPSf-co-PPSS/TPA）。当 TPA 含量为 4.3%时，复合膜表现出最佳的隔膜性质，包括质子电导率、含水率、离子交换容量、抗拉强度和伸长率等，制备的膜电极性能为 1 A/cm2@1.83V，明显优于 SPEEK/TPA 隔膜。

  还可以使用催化材料对隔膜进行修饰以降低产物气体交叉。唐金库等通过在 Nafion 117 膜表明上进行离子体刻蚀产生微孔结构，提高膜的含水率和交换容量，提升膜电极的电化学性能。史言等通过浸渍还原法分别制备了 Pt/Nafion 和 Pt-α-ZrP/Nafion复合膜。发现内部沉积的 Pt 颗粒能催化扩散到其中的氢氧复合生成水，实现“内部消氢”，使氧气纯度达到 100%。Bukola 等在两层Nafion 211 膜中间嵌入单层石墨烯，制备出 Nafion® 石墨烯 Nafion®复合膜。这种三明治结构有利于高电流密度下的质子传递，并限制氢气在膜中的交叉透过。

  膜电极组件（MEA）是PEM 电解水制氢反应的核心，其制备方法和结构设计与 PEM 电解水性能紧密关联。目前 PEM 膜电极普遍采用CCM结构（Catalyst Coated Membrane），即将催化剂浆料涂覆在质子交换膜两侧。催化剂浆料配方要满足膜的溶胀程度最小、膜润湿性良好和催化剂分散性好等因素，才可以获得均一的高性能涂层，这与溶剂类型、水/溶剂比例和 Nafion 离聚物含量等因素相关。如果水醇溶剂的混合物被膜缓慢吸收，接触角低，会有利于催化剂颗粒良好的分散性能。T.H. Kim 等比较了异丙醇、二甲基亚砜（DMSO）和 N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）三种溶剂的影响。发现主链迁移率更高的NMP 和 DMSO 溶剂制备的涂层在三相界面接触更紧密，电化学性能更好，这主要是由于溶剂分子和离聚物之间的强相互作用。Xie 等考察了离聚物含量（5/10/20 wt%）对 CCM 的性能影响，发现10%Nafion 含量的电池性能最优，这是由于欧姆电阻最低，传质最好。

  目前最常用的CCM涂覆工艺主要有超声喷涂法和卷对卷涂布法，二者在浆料配方、工艺条件（涂层方法、干燥速率）和涂层物性（压力和剪切）存在差别。超声喷涂工艺需预先将隔膜裁剪成一定尺寸，通过在加热的基材上涂覆多个薄层来形成催化剂层，以此来实现快速干燥。由于该制造流程缓慢，需要更加多的循环时间，适合于小规模的 CCM 膜电极制备。卷对卷涂覆工艺（R2R）使用固含量高达几wt%的浆料一次性涂覆催化剂层，可以更快得到更厚、更均一的涂层。由于具有自动化程度高、效率高等特点，更适合于大批量的膜电极生产。 Park 等研究之后发现相比于超声喷涂，R2R 工艺对催化剂层生产量提高了500 倍以上，并且两种工艺的 CCM 电解性能相近。S. A. Mauger 等研究之后发现，凹印 R2R 工艺能涂覆数米长的催化剂层，体积因子较大的凹印滚筒可以在更宽的速度比范围内形成均匀的薄膜。与超声喷涂相比，凹印催化剂层具有更均匀的厚度和更大的孔径，并且高电流密度性能相近。此外，R2R 工艺的另一优点是产线可以配备连续的质量监测系统（如红外系统），节省了离线质量检验的时间和成本。采用喷涂和卷对卷工艺制备 CCM 的成本比较列于图 4，随着PEM 电解槽生产规模扩大，CCM 制造成本呈现逐渐降低的趋势。当制造规模达到 50000KW 或 1500 m2 的CCM 面积时，采用卷对卷工艺更为经济。长远来看，当制造体量满足规模经济性时，卷对卷工艺是更适合的工艺路线

  气体扩散层气体扩散层（GDL）的作用是将气/液两相从双极板流场传输到催化剂层，同时作为集流体传导和收集电子。由于 PEM 电解水阳极过电位高，商业电解槽通常使用钛基多孔材料作为阳极 GDL。为防止钛在长时间运行中被氧化，表面还需涂覆铂或铱涂层。GDL 的孔径和孔结构会明显影响气液两相传输，Ito 等研究之后发现随着钛毡平均孔径减小，PEMWE 性能逐渐增强，电极上产生的气泡会导致水供应的降低。

  通过对 GDL 的结构和制备工艺进行改进和创新，能提高电解性能。田纳西大学团队报道了一种超薄可调节的钛基 GDL（厚度为 25µm），其平面带有直通式孔隙且结构可控（图 5）。孔径为 400µm、孔隙率为 0.7 时的超薄 GDL 表现出目前文献报道的最佳性能（2A/cm2@1.66 V）。他们又进一步考察了微米（5µm）和纳米钛颗粒（30-50nm)制备的微孔层对电池性能的影响。结果发现，虽然微米颗粒的微孔层在某些条件下会略微提升催化活性，但会增加界面欧姆阻抗，因此认为微孔层修饰对这种小孔径、孔隙率大的超薄 GDL 并非必要。该团队还采用电子束熔化增材制造技术制备出 Ti-6Al-4V 阳极 GDL，其电解性能明显优于烧结钛网。增材制造技术能制备结构可控的孔形貌和结构，尤其对于难以加工的钛基材料，能以更快、更便宜的方式实现其复杂三维形貌设计的制造。

  50%以上，其成本高昂是由于钛基流场板难于加工，双极板表面需涂覆Pt或Au涂层以防止氧化。开发新型低成本的双极板材料和表面处理工艺，以期降低贵金属涂层用量或进行替代，是降低双极板和电解槽成本的主要途径。Toops 等对钛双极板进行表面氮化处理，发现 PEMWE 性能提高了 3%-13%。热氮化处理钛板的抗氧化性能要优于等离子体氮化处理，并在 500h 内保持良好的稳定性。与镀 Pt 钛板相比，氮化处理不会产生氢脆现象。Lettenmeier 等采用真空等离子喷涂先在不锈钢双极板表面涂覆 Ti 层，然后物理气相沉积 Pt 涂层。根据结果得出，60µm 厚的 Ti 涂层足够保护不锈钢基底，降低 50 倍厚度的超薄 Pt 涂层可以有效的预防Ti 层的氧化。这种 Pt-Ti 涂层双极板在 200 小时测试中衰减率仅为 26.5µV/h，验证了不锈钢双极板材料的可行性。Yang 等采用选择性激光熔化技术打印出一种新型多功能双极板（图 6），其具有传统的 GDL、双极板、垫片和集流板组件的一体化功能。该结构先在阴极双极板上制作 1mm 厚度的不锈钢流场，再直接沉积上一层 0.15mm 的网状 GDL，并表现出优异的 PEMWE 性能（2 A/cm2@1.716 V），产氢率相比传统结构增加了 61.81%。这种多功能结构极大简化了电解槽安装过程，降低了整体重量、体积和成本。

  电解槽的装配和运行PEM 电解槽是整个电解体系的核心装置，由多个电解槽单体组成（图 7）。由于电解槽制造成本比较高，除了对各组件材料来研究，还需要对电解槽的整体结构设计、装配过程和运行模式等进行系统研究和优化，以提升电解槽的效率和耐久性，降低电解槽成本。

  刘晓天等采用材料框架作为外部结构，流场双极板置于框架内部，电解槽阴极室和阳极室采用不对称设计，使电解槽具有稳定的压差工作的能力。与传统钛双极板相比，在保证电解槽结构强度和密封性的前提下，使用材料框架加工难度更低、重量更轻，降低了电解槽的整体制造成本。邓庆等在电解槽两侧壳体固定连接有滑动块，外部设置一个拉环。该设计不需要在电解组件上打孔就能够将电解组件固定在底体返回原位，从而完成对多个电解单元槽的固定，使其在反应时不会分离，保证电解效率。黄天旗等对传统顶丝反压式电解槽的安装固定方式来进行改进，通过压紧板之间有连接卡位，不需要在电解组件上打孔就能够将电解组件固定在两端板之间，省去法兰占据空间，减小电解组件体积，提高组件利用率。

  催化剂和膜的脱落、水流量变化、供水管路腐蚀等会导致欧姆阻抗提高，膜电极结构被破坏后会诱发两侧气体渗透并造成氢气纯度降低，温度和压力变化、电流密度和功率负载循环也会影响组件的衰减速率

  。在工作过程中，装配和运行产生的穿刺、开裂、机械应力、不充分的湿化和反应压力等因素，会导致膜发生机械降解。在膜电极制作的完整过程中，针孔会引发扩展裂纹，因此导致预期寿命的显著降低。膜电极被夹在双极板之间并承受着压缩力，流道边缘和反应物入口等局部应力集中区域更容易产生微裂纹断裂。因此能在设计膜电极及其夹紧系统的时候，对其材料来充分研究，并对实验装置进行装载实验。

  在频繁的启停瞬变条件下如何改善预估组件寿命的方法，怎么样做加速测试获得更多的数据对电堆常规使用的寿命进行研究，以增强其耐用性是目前的一大挑战。与燃料电池不同的是，目前 PEM 电解水组件还没有标准化的压力源和加速压力老化测试（AST）协议来确定特定组分的降解率，导致目前文献中的实验结果难以比较，引发误导性的结果和结论。因此，建立标准化的 PEMWE 测试硬件并开发 AST 协议，对于新型电池组件的评估至关重要。

  Kim 等研究了 PEM 电解水在阴极 100bar、阳极常压时电流密度波动的暂态行为，包括对阴阳极液态水浓度、氢气体积浓度和电极温度的影响。结果显示，减少在低电流密度的运行时间，可以大大降低阳极侧的氢气浓度。E.López 等将 46 kW 高压电解槽模型和实验相结合预测了功率波动工况下的工作情况。根据结果得出，在 20-60 ℃和 15-35 bar 的范围内，即使在暂态运行，也可以预测电堆电压和气温变化。在较高温度、较低压力时，电解槽效率达到最高并能更好的适应功率波动。Buttler 等对 AWE、 PEM 和 SOEC 三种电解水技术在柔性储能方面的应用进行了系统对比，包括可用容量、部分负载性能、灵活性和寿命等。根据结果得出，与 AWE 相比，PEM 电解水的启动时间更短，尤其是在冷启动时，还能够实现满负荷范围调节，而 AWE 的负荷范围被限制在约 20%-25%，因为气体产物的交叉污染会产生易燃混合物的风险。Aßmann 等提出了一个包括主要操作压力源，即过载、动态操作以及空载期间的AST 协议。每个压力源阶段的维持的时间由使用的特定场景定义，例如电网平衡或电制化学品。随着硬件和操作条件的变化，期望将测试参数与降解率的变化联系起来。

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