《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Industrial scale feasibility of emerging membraneless flow electrolyzer technology: an ex-ante technoeconomic assessment
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摘要翻译
传统质子交换膜(PEM)和碱性电解槽依赖膜或隔板进行气体分离，但这些膜成本高且易损坏。因此，无膜电解槽概念作为一种内在稳健且低成本的电解技术提供了替代方案。现有文献主要集中于几平方厘米电极的单电池设计，未能反映大规模经济可行性。本研究基于200
摘要翻译
传统质子交换膜(PEM)和碱性电解槽依赖膜或隔板进行气体分离，但这些膜成本高且易损坏。因此，无膜电解槽概念作为一种内在稳健且低成本的电解技术提供了替代方案。现有文献主要集中于几平方厘米电极的单电池设计，未能反映大规模经济可行性。本研究基于200 kW无膜电解槽系统进行了技术经济评估，填补了这一空白。结果显示，由于缺少隔板，需要严格的电解液流动管理，无膜电解槽堆成本可能高于碱性电解槽。在早期采用场景下，无膜堆成本约为572 � kW?1，而碱性堆为544 � kW?1。通过利用堆成本降低机会，成本可降至约367 � kW?1。无论堆成本是否降低，氢气平准化成本(LCOH)约为15 � kgH2?1，仍比碱性电解槽的11.6 � kgH2?1高30%，这是由于无膜电解槽所需更高电解液流量导致平衡系统资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)增加。因此，要充分释放无膜概念潜力，创新堆设计及平衡系统设计至关重要。
论文解读
随着绿色氢气在能源转型中的重要性不断提升，实现经济可行的绿色氢气生产成为全球研究热点。传统绿色氢气生产依赖质子交换膜(PEM)和碱性电解槽技术，其氢气平准化成本(LCOH)远高于3 � kg
?1的经济目标，尤其在比利时、摩洛哥和纳米比亚等地，当前成本已超过5.5 � kg
?1，而西欧甚至可能超过10 � kg
?1。电解槽设备资本支出(CAPEX)和电力成本是氢气LCOH的主要决定因素，因此降低CAPEX成为研究与开发的核心方向。传统碱性与PEM电解槽中，膜或隔板及其装配占堆成本超过40%，且为系统最脆弱部件，增加维护费用并对水质要求严格。无膜电解槽通过简化单元设计、省去膜组件、提高耐用性，从理论上降低了CAPEX与OPEX，同时在特殊场景如海水电解中表现出更高的鲁棒性。
研究人员针对无膜电解槽开展了前瞻性技术经济评估(TEA)，分析了200 kW工业规模系统的经济可行性。研究选取平行电极流过(flow-by)无膜配置作为分析对象，建立了概念性堆设计，并结合传统堆设计原则进行合理对比。研究首先评估了流动设计的基本电解液流量需求及实际效率，随后对堆成本进行分析，并与现有碱性和PEM电解槽对比。TEA覆盖了堆及平衡系统(BOP, balance-of-plant)对CAPEX和OPEX的影响，并计算对氢气平准化成本的贡献。最终，研究指出，无膜电解槽要实现经济潜力，需在堆及系统层面进行创新设计，并指出了未来发展方向。
在技术方法方面，研究人员结合市场调研、成本分析及流动设计模型，采用概念性平行电极流过无膜堆设计，对电解液分布系统进行建模，并使用工业规模200 kW系统进行TEA评估，以量化堆及平衡系统CAPEX/OPEX对LCOH的影响。样本队列来源于既有成熟碱性堆架构，用于前瞻性建模分析。
研究结果显示：
**堆与系统规模影响**：流动介导的气体分离要求电解液流量显著增加，这直接影响CAPEX与OPEX。分析表明，为保证平稳操作，堆内电解液分布必须均匀且稳定。
**成本分析**：初期采用阶段，无膜堆成本约为572 � kW
?1，高于碱性堆544 � kW
?1，但通过优化可降至367 � kW
?1。无论堆成本如何下降，LCOH仍约为15 � kgH2
?1，比碱性电解槽高约30%，主要因平衡系统CAPEX与OPEX增加。
**技术经济评估(TEA)**：研究揭示，简化堆设计虽降低材料与制造成本，但严格电解液流管理带来额外成本，对LCOH产生重要影响。研究强调对堆和系统整体优化的必要性，以实现无膜技术潜力。
在讨论中，研究人员指出，现阶段无膜技术技术成熟度(TRL)仅为3–4，分析基于成熟碱性堆假设提供前瞻性定量见解。尽管存在不确定性，研究为降低低TRL投资风险提供了重要参考。未来优化设计可能在材料、尺寸及操作条件上有所调整，但整体趋势显示，平衡系统成本仍占系统总成本主导地位。
研究结论表明，无膜电解槽在工业规模下具有技术可行性和低维护潜力，但要实现经济竞争力，必须优化堆结构与平衡系统设计，以降低CAPEX与OPEX，提高电解液流动效率，从而进一步降低氢气LCOH，并推动绿色氢气经济化发展。该研究发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。
