本研究由天津大学国际联合研究院（the international joint institute of tianjin university）的jiawei yang、天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室（state key laboratory of engines）的yifan tang、rui chen、tianyou wang以及天津大学国家储能技术产教融合创新平台（national industry-education platform of energy storage）的zhen zeng、zhizhao che等人共同完成，通讯作者为zhizhao che。该研究发表于*Applied Energy*期刊第424卷，文献编号128458，于2026年7月16日在线发表。

随着全球能源体系深度脱碳，氢能作为战略性绿色能源载体受到广泛关注。质子交换膜水电解（proton exchange membrane water electrolysis，PEMWE）凭借其高电流密度、高纯度产氢、快速动态响应及宽负荷运行范围等优势，被认为是与波动性可再生电力耦合的理想制氢技术。然而，PEMWE的大规模部署仍受制于成本和耐久性，尤其是阳极铱（Ir）基催化剂在析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）高电位条件下的溶解与结构退化问题。现有耐久性研究多基于稳态恒流或简化动态工况，对真实风电波动特征与电解槽性能衰减之间的定量关联缺乏深入理解。为此，本研究旨在建立一种面向真实风电波动输入的PEMWE耐久性评估框架，从波动时间尺度、高功率暴露时长与Ir价态演化等多个维度揭示性能衰减机制，并实现基于加速测试数据的年化衰减预测。

研究采用了一套包含PEMWE单电池、去离子水供给系统、温控系统、直流电源及电化学分析系统的实验平台。膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA）活性面积为2×2 cm²，阳极IrO₂催化剂载量为2.0 mg cm⁻²，阴极Pt载量为1.0 mg cm⁻²。阳极侧采用钛网多孔传输层，阴极侧使用带微孔层的碳纤维纸作为气体扩散层。实验以某公用事业级风力发电机一年的功率输出数据作为动态输入，原始数据点代表每小时平均功率输出。为建立功率到负载的一致映射关系，原始风电功率曲线被缩放至PEMWE运行范围，并归一化为P/Pmax后按季节分段。保持原始时序与功率幅值分布不变的前提下，通过时间压缩生成了三种恒功率（constant-power，CP）测试协议，每个原始数据点分别重放30秒、60秒和120秒，对应加速倍率分别为120×、60×和30×。此外，稳态1 A cm⁻²运行条件作为高电流密度对照实验。每个季节段测试结束后，均进行极化曲线和电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）测量，并采用弛豫时间分布（distribution of relaxation times，DRT）方法对阻抗谱进行解卷积分析。耐久性测试完成后，对MEA进行拆解表征，包括扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）、能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy，EDS）以及X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）分析，同时结合密度泛函理论（density functional theory，DFT）计算评估不同价态Ir表面的OER反应能垒。

风电功率谱密度分析表明，周期大于24小时的低频波动贡献了总波动方差的75.6%，而日内高频波动仅占约24.4%。季节统计显示，四个季度的波动事件总数均约在1300至1350次之间，但功率范围分布差异显著：第一、二季度中高功率波动占比分别为78%和62%，而第三、四季度低功率波动占比分别为62%和58%，说明即使在波动总数相近的情况下，不同季节的波动特性仍存在显著差异。

电化学性能测试结果显示，在120×、60×和30×加速倍率下，电解槽的平均衰减速率分别为0.651、0.465和0.305 mV h⁻¹，而稳态1 A cm⁻²运行条件下的衰减速率为0.693 mV h⁻¹。这表明在波动工况下，更快的功率波动会导致更严重的性能衰减，但所有波动工况下的衰减程度均低于高电流密度稳态运行。过电位分解发现，四种工况下动力学过电位增大幅度最大，而欧姆过电位与传质过电位变化相对较小。其中稳态运行末期的动力学过电位绝对增加值最大，达198.87 mV；三种波动工况的末态增加值分别为61.86、76.02和105.66 mV。波动工况下的传质过电位出现一定程度的下降，这主要归因于运行初期电极润湿性改善及气泡脱离尺寸减小等因素。EIS结果表明，各波动工况下欧姆电阻几乎保持不变，而总电阻随电解时间增加而增大。DRT分析进一步显示，位于约10⁻³秒时间常数的OER电荷转移过程峰面积变化显著，而约10⁻¹秒的传质过程峰面积无明显变化，证明电荷转移电阻的增加是电解槽性能衰减的主导因素。

后表征结果显示，与未测试的对照样相比，三种波动工况下阳极催化剂层表面均出现明显的Ir颗粒团聚现象，而稳态1 A cm⁻²运行后的阳极表面Ir颗粒明显细化，这主要是由Ir溶解与再沉淀引起。稳态高电流密度条件下，阳极表面持续暴露于强氧化环境并伴随剧烈析氧反应，导致Ir不断溶解并向膜内及阴极侧迁移再沉积。EDS线扫描结果证实，稳态运行样品在非阳极区域的Ir信号最强，且Ir迁移强度随加速倍率增加而增大。XPS分析显示，对照样品中Ir⁴⁺为优势价态（29.8%）。在120×加速倍率的最快波动条件下，Ir³⁺比例显著增加并成为主导物种（Ir³⁺=33.32%），表明高频波动诱导了表面Ir从高价态向低价态的转变，形成了热力学稳定性更低、更易溶解的Ir物种。DFT计算进一步表明，以Ir(OH)₃为代表的低价态Ir表面OER反应的电位决定步骤所需吉布斯自由能为2.19 eV，显著高于IrO₂的1.70 eV，说明表面Ir价态降低会恶化OER动力学，导致电解电压升高。

基于上述发现，研究建立了分季节的衰减率分析方法，并提出了数据校准的两阶段衰减模型，用以预测PEMWE在原始风电波动曲线下的年化衰减。模型包含早期衰减阶段与稳态衰减阶段两部分，其中稳态衰减通过引入电解槽稳态因子g(t)=1−exp(−t/τ)以及累计波动严重程度s_total来表征波动幅度与平均功率水平的综合影响。模型拟合常数为a=−0.03787 V、b=0.02227 V、τ=22.11 s、k₁=4.256×10⁻⁵ V、k₂=3.726×10⁻⁵ V h⁻¹。在120×、60×和30×加速倍率下，稳态因子g(t)分别为0.742、0.934和0.996，表明在120×加速倍率下每个功率点仅保持30秒，电解槽尚未完全达到稳态。模型计算得到的全年总衰减约为0.1683 V，对应的平均衰减速率为0.0192 mV h⁻¹。模型内部验证显示，早期阶段、稳态阶段及总体的累计相对误差分别仅为0.02%、2.45%和0.60%，表明该模型对年化衰减具有良好的预测潜力。

本研究的核心结论为：在波动运行条件下，更短的功率点驻留时间与更频繁的状态切换会加剧性能衰减，但高电流密度稳态运行仍造成最严重的整体性能损失；电荷转移电阻增加是性能衰减的主要电化学来源；稳态高电流运行主要诱导Ir的累积溶解-迁移行为，而快速波动运行则促进表面重构形成富Ir³⁺状态；所提出的两阶段衰减模型能够以0.6%的整体预测误差实现从加速测试到年化衰减的准确外推。该工作不仅阐明了波动时间尺度、高功率暴露与Ir价态演化对PEMWE耐久性的协同影响机制，还为真实可再生电力特征的衰减相关描述与寿命预测提供了可操作的方法学框架。