PEMEL 在欧洲尤其受欢迎，其高能源效率和与间歇性可再生能源的兼容性使其脱颖而出。.
质子交换膜电解槽（PEM电解槽）与质子交换膜燃料电池（PEMFC）共享许多材料和组件，并受益于燃料电池领域的进步。PEMFC技术由NASA发起，发展迅速，使得PEM电解槽和PEMFC都成为相对成熟的技术。然而，它们仍然面临诸多挑战。.
蓬勃发展的绿色氢能市场正在推动对电解槽系统的需求，进而带动对电解槽材料和组件的需求。这一繁荣景象为材料和组件供应商以及各行业参与者提供了巨大的机遇，使他们能够抓住这一增长机遇，进行创新并推出新产品。.
质子交换膜电解槽（PEMEL）组件的简化示意图。来源：IDTechEx
质子交换膜（PEM）
质子交换膜（PEM）是电解槽的核心部件，位于阴极和阳极之间。PEM促进质子（H+离子）从阳极向阴极的转移。它们还能在电极之间提供电绝缘，并确保析氢反应和析氧反应分别进行，从而产生高纯度氢气，并防止气体混合，尤其是氢气和氧气的混合。.
这些膜由全氟磺酸（PFSA）离子聚合物制成。Nafion是科慕公司（Chemours）旗下的品牌（最初由杜邦公司开发），是PEMEL和PEMFC中最知名、应用最广泛的材料。市场由科慕和戈尔公司（WL Gore & Associates）等老牌企业主导。然而，这些公司仍在不断创新产品，以提升性能。.
改进质子交换膜（PEM）的主要挑战在于平衡性能、安全性和耐久性。这是因为提高性能需要更薄的膜层以提高导电性；然而，这会导致氢气和氧气交叉污染加剧，并加速膜的降解。业内常用的缓解策略是在PFSA离子聚合物上涂覆一层增强层，例如膨体聚四氟乙烯（PTFE）。.
利用新型复合材料提升膜性能的挑战是推动该技术发展的关键。尽管面临这些挑战，由于缺乏合适的、易于获得的替代品，PFSA膜仍将是主流材料。因此，电解槽和燃料电池行业对这类膜的需求量巨大。.
铂族金属催化剂和催化剂涂层膜（CCM）
铂（Pt）和铱（Ir）分别催化电解槽中发生的析氢和析氧电化学反应。最新一代的材料是阴极用碳黑负载铂（Pt/C），阳极用铱黑（Ir）或氧化铱（IrOx）。.
催化剂与PFSA离子聚合物树脂以油墨形式结合，然后涂覆到膜上，制成催化剂涂覆膜（CCM）。CCM的生产是一个重要的研究领域，因为电解槽的性能很大程度上取决于其性能。关键在于开发高效的连续卷对卷CCM生产工艺，以确保稳定的产量、最小的催化油墨损失以及高度自动化的大规模生产。.
最重要的研究目标是降低阳极上的铱负载量。目前PEM电解槽中1至2.5 g/kW的铱负载量存在问题，因为未来对这类设备的需求可能会给全球铱供应带来巨大压力。为了解决这个问题，诸如贺利氏贵金属公司等催化剂生产商正在推出降低铱负载量的新产品。其中包括氧化钌铱（IrRuOx），该产品已开始商业化应用。然而，随着时间的推移，我们需要开发新型负载型铱催化剂（类似于碳载铂催化剂的概念），以降低对铱供应的依赖。因此，开发和销售性能与现有铱和氧化铱催化剂相当，同时将总铱负载量降低到1 g/kW以下的新型催化剂产品，存在着巨大的机遇。.
气体扩散层（GDL）
气体扩散层（GDL），也称为多孔传输层（PTL），是PEMEL电池的另一个关键组成部分。这些组件位于电极两侧，有助于水向膜的转移、从电极中去除产物气体（H2和O2）以及电子在电池中的流动。.
阴极材料采用碳纸，碳纸由碳纤维、聚四氟乙烯（PTFE）和炭黑组成。阳极材料为钛毡，表面涂覆一层薄薄的铂金。钛是阳极侧耐腐蚀的必要材料，而铂金则提供更高的导电性和额外的稳定性。这些材料将继续用于所有PEMEL电池。.
碳纸的研发得益于PEM燃料电池行业的共同努力，目前已相当成熟。因此，研发的重点主要集中在阳极侧，旨在减小钛毡的厚度、优化孔隙率并减少铂的用量。铂的负载量尤为重要，可通过采用先进的涂层技术（例如物理气相沉积（PVD））来降低。.
双极板
双极板起到物理屏障的作用，将电池分隔开来。更重要的是，这些板将电子从一个电池的阳极传导到另一个电池的阴极，并为电池内部的水和气体流动提供通道。与可以使用石墨双极板的PEM燃料电池不同，PEM电解槽使用钛板，钛板具有更强的耐腐蚀性。为了提高耐腐蚀性并降低电接触电阻，需要在阴极和阳极表面分别镀上金和铂，这与钛双极板中使用的铂类似。.
这些组件再次受益于PEM燃料电池领域高度发达的金属双极板制造技术。提供极板制造技术的公司包括Dana Inc.、Schuler、Elcon Precision等等。每家制造商采用的技术各不相同，各有优缺点。尽管技术已高度成熟，制造商仍然可以通过减少材料浪费和加快生产线速度来优化生产。.
双极板的涂层是能够从新理念中获益匪浅的领域。例如，更先进的涂层技术，如物理气相沉积（PVD），可以减少贵金属的使用。此外，还可以寻找钛的替代品来降低整体制造成本。这需要对各种金属合金和材料组合进行试验，例如钛涂层不锈钢。后者被认为是一种很有前景的选择，但仍需在商业运行中进行广泛的测试。.
垫片和密封材料
在设计电解槽堆时，垫片或密封件常常被忽视，但这些部件同样至关重要。它们起到密封作用，在不同部件（例如双极板和隔膜）之间形成界面。这些精密设计的屏障确保气体、水和电池组件根据需要保持密封和隔离。垫片通常采用夹在双极板之间的薄片或胶带形式。.
垫片材料通常需具备低氢气渗透性以防止泄漏，同时还需耐电解槽酸性和氧化性环境的化学腐蚀。此外，它们还必须具有足够的压缩性和机械性能以承受压缩力。常用的材料包括三元乙丙橡胶（EPDM）、氟橡胶（FKM）、聚四氟乙烯（PTFE）和硅橡胶。.
预成型垫片是最常见的类型。它们采用注塑成型工艺，以适配电解槽组件。双极板的复杂设计需要精细的密封，因此垫片制造商通常与电解槽或双极板供应商合作。这样，制造商可以直接将垫片涂覆到客户的组件上，然后交付给客户。垫片创新策略侧重于优化材料和制造工艺，并通过提供客户可自行涂覆和固化的树脂来省去涂覆环节。.
市场展望和战略视角
电解槽组件市场蓄势待发，即将迎来显著扩张。IDTechEx预测，到2034年，其市场规模将达到惊人的317亿美元。这一增长主要得益于绿色氢能行业的快速发展。正如本文所示，该市场在组件供应和创新方面蕴藏着巨大的机遇。.
IDTechEx发布的报告《2024-2034年绿色制氢材料：技术、厂商及预测》也提供了关于碱性水电解槽（AWE）、阴离子交换膜电解槽（AEMEL）和固体氧化物电解槽（SOEC）所用材料和组件的类似信息。报告提供了电解槽电堆供应商、组件和材料的完整清单，以及该领域关键商业创新案例研究。
此外，报告还提供了详细的十年市场预测，以吨、平方米（m²）和百万美元为单位量化了材料和组件的年需求量。如需深入了解水电解槽组件市场的当前趋势和关键机遇，请参阅该报告。
作者：Chingis Idrissov，IDTechEx技术分析师
