科普 | PEM電解槽關鍵構件及制造流程概覽

以下內容梳理了當下主流PEM電解槽所用材料、結構形式以及各部件自下而上的制造思路。為便于量化，文中以 1 MW 電堆為參照，催化劑負載量取 2022 年商業化產品平均水平，未計入實驗室級別的突破性數據。

表：PEM電解槽的關鍵設計規范

一、1 MW 電堆設計基準

- 單電池有效催化面積：≈ 900 cm2（正方形，也可選矩形或圓形）圖1

- 活性區外沿再留 10 % 工藝余量，用于模切與壓縮均勻性

- 未來迭代方向：提高電流密度，在相同幾何尺寸與單池數量下增大產氫量

圖1

二、制造總覽

圖 2 展示了從原材料到成品的完整工藝鏈，下文按四大部件逐一展開。

圖2

三、傳輸層

1. 陽極 PTL（多孔傳輸層）

– 材料：燒結鈦 + PVD 鍍鉑

– 工藝：鈦粉→燒結→模切→PVD 鍍層（工藝圖見圖 3）

圖3

2. 陰極 GDL（氣體擴散層）

– 直接采購碳紙/碳布，模切成所需尺寸即可

四、CCM & MEA

1. 結構

CCM（催化劑涂覆膜）夾在陰/陽極傳輸層之間即構成 MEA。

圖4

2. 成本地位

CCM 占電堆成本比重最高，是降本重點研究對象。

3. 兩條制備路線

超聲波噴涂：實驗與小批量常用，效率低，卷對卷（R2R）改造后可提速

圖5

狹縫涂布：R2R 連續工藝，速度快、易放大，正逐步取代噴涂

（圖 4、圖 5 分別給出兩種路線的設備配置與質量監控示意）

4. MEA 集成

CCM 完成后與 PTL、GDL 疊合，即得 MEA。

五、雙極板

– 材料：鈦卷板 + PVD 鍍鉑（早期曾用 316L 不銹鋼）

– 厚度：本例取 1.5 mm（不含鍍層）

– 工藝：沖壓/蝕刻流場 → PVD 鍍鉑（圖 6）

圖6

六、單池與整堆組裝

1. 單池

– 雙極板絲網印刷密封墊圈

– 依次疊放 MEA（含 CCM、PTL、GDL）

– 固化

2. 成堆

– 將單池層層疊加并壓緊

– 加裝端板、拉桿等機械件（圖 7）

圖7

3. 自動化程度

– 小批量：人工疊裝，人力密集、節拍慢

– 大批量：多級自動化，效率顯著提升