聚合物电解质膜水分解制氢技术研究进展：数值模拟与实验验证

作者及发表信息
本研究由韩国仁济大学（Inje University）电子通信、机械与汽车工程系及高安全性车辆核心技术研究中心的Chang-Hoon Je与Hyung-Man Kim*（通讯作者）合作完成，发表于International Journal of Electrochemical Science 2019年6月刊（卷14，页码6948–6975，DOI: 10.²⁰⁹⁶⁴⁄₂₀₁₉.07.64）。

学术背景
氢能作为清洁可持续的能源载体，是应对全球变暖与化石能源污染的关键解决方案。然而，传统电解水制氢技术因效率与成本问题难以规模化应用。聚合物电解质膜（Polymer Electrolyte Membrane, PEM）电解槽因其结构简单、高电流密度运行能力及与可再生能源的兼容性成为研究热点。本研究旨在开发一种面向控制的PEM电解槽动态模型，结合数值模拟与实验验证，优化其制氢性能，并探索其与PEM燃料电池（PEM Fuel Cell）集成构建可再生燃料电池系统（Regenerative Fuel Cell, RFC）的可行性。

研究流程与方法

1. 数值模型构建

   • 子模型设计：研究基于Butler-Volmer动力学，开发了包含电压、膜电极、阳极、阴极和存储五个子模型的PEM电解槽系统模型。
     
     • 电压子模型：计算电解槽总电压，包括活化极化、欧姆极化和浓度极化损失（公式37-41）。
       
     • 膜子模型：量化水含量、电渗拖曳系数及质子传导率（公式31-36）。
       
     • 阳极/阴极子模型：分别描述氧气和氢气的摩尔流量与分压动态（公式5-17，18-30）。
       
     • 存储子模型：模拟氢气瓶压力动态（公式42）。
       
   • 仿真工具：采用MATLAB®/Simulink®软件实现模型动态仿真，参数如表6所示，验证了电流密度（0–1.4 A/cm²）与温度（20–80℃）对电解性能的影响。
     

2. 实验验证

   • 电解槽测试站：自主搭建实验平台（图14-15），包括单电池PEM电解槽（活性面积25 cm²）、温控系统、质量流量控制器及气体存储装置。
     
   • 关键组件：
     
     • 膜电极（MEA）：采用Nafion®115膜，阳极负载Pt/Ir催化剂（3.0 mg/cm²，比例9:1），阴极负载Pt催化剂（1.0 mg/cm²）。
       
     • 双极板：优化设计5通道4回旋蛇形流场（图25），压力分布测试显示92.5 kgf为最佳紧固力。
       
   • 实验设计：通过可编程直流电源模拟可再生能源波动，测量不同水温（80℃为主）和电流密度下的极化曲线（图26）及产气流量（图27）。
     

主要结果

1. 数值模拟

   • 极化曲线分析表明，温度升高显著降低活化极化损失（图11），80℃时电解效率最高。
     
   • 瞬态电流密度变化（1.2–2.8 A/cm²）下，氢气生成流量为氧气的2倍（图9），与理论摩尔比一致。
     
   • 存储子模型预测氢气瓶压力随电流密度线性增长（图10），为安全运行提供阈值参考。
     

2. 实验验证

   • 极化曲线与模拟结果高度吻合（图26），验证了模型的准确性。80℃时，电流密度1.4 A/cm²对应电压1.8 V，较20℃降低约0.15 V。
     
   • 水流量不足会导致产气速率下降（图27），证实了质量传输对性能的关键影响。
     

结论与价值
本研究通过多物理场耦合模型与实验验证，明确了PEM电解槽在动态工况下的性能规律，提出以下创新点：
1. 科学价值：首次将Butler-Volmer动力学与摩尔平衡模型结合，实现了PEM电解槽的高精度动态仿真。
2. 应用价值：为可再生能源制氢系统提供了优化控制策略，如温度维持在80℃可提升能效10%以上。
3. 技术整合：通过RFC系统（图1-2）实现“光伏-电解-燃料电池”闭环能源存储，推动分布式清洁能源应用。

研究亮点
- 方法创新：开发了包含电化学-流体-热耦合的Simulink模型，支持实时参数优化。
- 实验设计：自主设计5通道蛇形流场双极板，压力均匀性提升20%。
- 跨学科意义：为可再生能源与氢能系统的智能控制提供了理论工具和工程范例。

补充价值
研究得到韩国国家研究基金会（NRF）资助，相关成果可扩展至大规模电解制氢及燃料电池汽车领域。