本文档属于类型a，即报告单一原创研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

质子交换膜电解槽堆降解现象研究：通过单电池中老化组件的逐步替换进行分析

第一作者及研究机构
本研究由德国航空航天中心（DLR）工程热力学研究所的Benjamin Kimmel、Tobias Morawietz、Aldo Saul Gago*等学者合作完成，发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊2025年第13卷，页码4330–4340。

学术背景
质子交换膜水电解槽（PEMWE, Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer）因其紧凑性和动态运行灵活性，是可再生能源制氢（绿氢）的理想技术。然而，PEMWE的广泛应用受限于其组件降解导致的寿命问题。现有研究多关注单一组件（如催化剂层、多孔传输层PTL或双极板BPP）的降解机制，但缺乏对组件间协同作用及各自对性能损失贡献的量化分析。本研究提出了一种创新方法：通过将商用PEMWE堆拆解至单电池级别，逐步替换老化组件，结合电化学表征与物理非原位（ex-situ）分析，量化各组件对性能退化的影响，并揭示其降解机制。

研究流程与方法
1. 实验设计与样本制备
- 研究对象：商用6电池短堆（活性面积250 cm²，运行约10,000小时，历史工况未知）。
- 样本处理：从堆中切割出20×20 mm²（单电池测试）和10×10 mm²（物理分析）样本，避免冷却液污染，保留原始状态。
- 逐步再生流程（表1）：
- 步骤1：使用全部老化组件（基线）。
- 步骤2：替换老化催化剂涂层膜（CCM, Catalyst-Coated Membrane）为全新CCM。
- 步骤3-5：依次再生钛组件（阳极网格→PTL→BPP），通过砂纸打磨（P1000至P5000）去除氧化层，异丙醇超声清洗。
- 步骤R：全组件替换为全新件作为对照。

1. 电化学表征

   • 极化曲线与阻抗谱（EIS）：采用自制10 kW测试台，遵循Joint Research Centre（JRC）协议，测量电流密度0.1–2.2 A/cm²下的电压响应。
     
   • 数据校正：因原始堆使用300 μm厚膜（非商用标准120 μm），通过欧姆电阻差值（δω(i) = U_initial - U_120μm）校正性能基线，确保可比性。
     

2. 物理非原位分析

   • 原子力显微镜（AFM）：
     
     • 模式：PF-TUNA（力-分离曲线与电子导电性同步测量）、DCUBE-TUNA（电压扫描3 V，128×128像素）。
       
     • 发现：阴极CCM表面离聚物（ionomer）重排形成非导电区域（图5j），阳极Ir催化剂团聚（图8e）。
       
   • X射线光电子能谱（XPS）：
     
     • 检测到PTL上的钙（Ca）、铅（Pb）污染物（图7a-b），推测源自清洗用水或运行水质问题。
       
   • 扫描电镜/能谱（SEM/EDX）：
     
     • CCM阳极侧发现CaCO₃晶体（图8c），阻碍催化活性；阴极侧检测到钛沉积（图8f），源自未涂层钛PTL的溶解迁移。
       

主要结果
1. 电化学性能退化
- CCM替换（步骤2）使电压在0.5 A/cm²下降低约200 mV（图4），贡献最大性能损失（占总量70%以上）。
- 钛组件再生（步骤3-5）进一步降低欧姆电阻，但效果弱于CCM（图3d），阳极BPP氧化导致的导电性下降更显著（图6c）。

1. 降解机制解析
   
   • CCM：
     
     • 催化剂层：Ir团聚（图8e）与离聚物重排（图5d,h）减少三相反应界面。
       
     • 膜污染：Ca沉积（图8c）与Ti迁移（图7c-d）增加界面电阻。
       
   • 钛组件：
     
     • 阳极氧化：BPP非接触区域形成高阻TiO_x层（图6e），而网格接触点保留导电性（图6d）。
       
     • 阴极稳定性：PTL电子导电性未显著变化（图6b）。
       

结论与价值
1. 科学意义：
- 首次通过“堆→单电池→组件”逐级拆解与再生方法，量化了PEMWE中各组件对性能退化的贡献，明确CCM为关键退化源。
- 揭示了水质污染物（Ca/Pb）与钛组件氧化的协同降解机制，为材料优化提供靶点。

1. 应用价值：
   
   • 再生工艺验证：钛组件经打磨清洗后可接近全新件性能（图3b），降低维护成本。
     
   • 设计改进建议：采用涂层钛PTL避免Ti溶解，优化离聚物分布以延缓CCM老化。
     

研究亮点
1. 方法创新：
- 提出“逐步替换+非原位分析”联用策略，克服传统堆研究中组件交互作用难以分离的局限。
- 开发基于AFM的纳米级导电性-形貌同步表征技术（DCUBE-TUNA），精准定位降解区域。

1. 重要发现：
   
   • 离聚物重排与Ca污染是CCM性能衰退的主因（非仅催化剂失活）。
     
   • 阳极钛氧化具有局部选择性（网格接触点保护效应），为流场设计提供新思路。
     

其他价值
- 数据公开：支持信息（SI）包含极化曲线校正公式（式1-2）、阻抗谱原始数据及EDX元素分布图，可供后续研究复现。
- 跨学科启示：燃料电池（PEMFC）降解理论（如Ir溶解/再沉积）在PEMWE中的适用性得到验证（图8e）。

（注：全文约2000字，涵盖研究全流程与核心发现，符合学术报告规范。）