1、PEM电解水技术的应用现状
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取决于电力成本、电解槽投资成本和运行负荷，其中电力成本对电解水制氢的敏感性影响最高，约占60%-70%。随着电力成本下降，设备投资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。可以看出，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。电堆作为整个系统的核心，其成本占系统成本的45%。其中双极板占电堆成本的50%以上，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成本占比相对较高。对于电堆层面，可以通过两种途径来降低成本：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，全球可再生能源PEM电解水制氢项目发展迅速，项目数量和装机规模不断上升，装机规模已迈入10MW级别。年7月，壳牌公司的10MWPEM电解制绿氢项目在德国莱茵兰炼油厂投运，电解槽由ITMPower提供，每年可生产约吨氢气。同年，康明斯与液化空气合作建设的20MWPEM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规模最大的PEM制氢项目，年产约吨氢气。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-设备组成，每天可生产10.8吨氢气，并将于年投运。西门子公司将为从欧洲能源公司(EuropeanEnergy)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，ITMPower、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，近两年才开始出现MW级示范项目（表1）。目前聚焦技术研发和设备生产的科研机构和公司主要有中科院大化所、山东赛克赛斯、中船所、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。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。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Nm/h，峰值产氢达到Nm/h。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，将于年一期实现年产MW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进行国产化替代的尝试。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、浙江菲尔特等企业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。
2、PEM电解槽的关键材料和组件制造
2.1阳极析氧催化剂（OER）
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，研究人员一直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可以提高Ir催化剂的活性和稳定性。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0.1V，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2A/cm2
1.V，Ir用量仅0.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，可以改善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的质量活性和稳定性均优于商业Ir黑，在h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/cm21.67V，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CuNiIr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（PR）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0.25mg/cm2时，可以在很高的电流密度下运行，性能为10A/cm22V。经过2A/cm2下的0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IrIrWOxNRs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（2.2A/cm22V）和小时的稳定性，Ir用量仅为μg/cm2。近年来，研究人员也开始