质子交换膜水电解槽中脉冲控制系统设计提升制氢性能的研究报告

一、作者与发表信息
本研究由土耳其Erciyes大学的Nafi Can Erelı、Murat Kıstı、Tayyar Eşiyok、Emre Özdoğan、Bulut Hüner、Nesrin Demir及通讯作者Mehmet Fatih Kaya团队完成，合作单位包括Osmaniye Korkut Ata大学和Bataryasan Enerji San公司。研究成果发表于期刊《Fuel》第371卷（2024年），文章编号132027，2024年5月30日在线发布。

二、学术背景
本研究属于电化学能源领域，聚焦质子交换膜水电解槽（Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer, PEMWE）的制氢效率优化。随着全球能源需求增长及碳中和目标推进，绿氢（通过可再生能源电力电解水制氢）成为替代化石燃料的关键载体。PEMWE因其高电流密度、快速响应和与可再生能源兼容的特性备受关注，但其性能受制于电解过程中的活化损耗、欧姆损耗及浓度损耗。传统直流（DC）电压电解易导致电极表面气泡积聚和腐蚀，降低效率与设备寿命。为此，团队提出通过脉冲电压调控电解过程，探究其对制氢性能、能耗及电极耐久性的影响，旨在开发一种高效、低能耗且长寿命的PEMWE系统。

三、研究流程与实验设计
1. 脉冲电压电路设计
- 硬件开发：团队设计基于脉宽调制（PWM）技术的电子电路，核心组件包括MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）开关、驱动集成电路及瞬态电压抑制二极管。电路采用低边开关拓扑结构，通过信号发生器（GW Instek GFG-8219A）调节脉冲频率（1–20 kHz）和占空比（50%–80%），电压幅值范围为1.5–2.5 V。
- 创新点：电路设计中考虑了MOSFET的开关损耗优化，通过100 Ω阻尼电阻和1 kΩ下拉电阻减少栅极振荡，确保快速响应。

1. PEMWE单电池测试

   • 膜电极组件（MEA）制备：使用Nafion® 115膜，阳极催化剂为IrO₂（3 mg/cm²），阴极催化剂为Pt（0.5 mg/cm²），通过热压法（120°C，2 bar，2分钟）组装。气体扩散层（GDL）采用Pt涂覆的钛网（2 mils和10 mils双层结构）以优化水分布。
     
   • 实验条件：电解槽在80°C恒温下运行，以超纯水为原料，通过蠕动泵恒定流量供给。测试分为三组：（1）固定占空比与电压，变化频率；（2）固定电压，变化占空比与频率；（3）全面参数组合（共45种工况，见表1）。
     
   • 数据采集：记录产氢量（10 mL）、时间、电流及能耗，采用托里拆利法测量氢气流速，通过示波器监测脉冲波形。
     

2. 长期耐久性测试

   • 对比最优脉冲条件（E-50-Y：20 kHz，50%占空比，2.0 V）与最佳DC条件（DC-Y：2.0 V），运行10,800秒后，对阳极GDL和MEA进行表面形貌（FE-SEM）、元素组成（EDX）及晶体结构（XRD）分析。
     

3. 数据分析方法

   • 能耗计算基于RMS电压与电流（公式4-6），统计各工况的单位产氢能耗（J/mL H₂）和产氢速率（mL/s）。
     

四、主要研究结果
1. 脉冲参数对电流与产氢速率的影响
- 频率升高导致电流下降（如1 kHz时0.11 A，20 kHz时0.07 A），因高频缩短电荷积累时间（公式7）。占空比增大则提升产氢速率，DC-Z（2.5 V）达最高1.257 mL/s，而脉冲模式E-50-X（1.5 V）最低为0.008 mL/s。

1. 能耗优化

   • 脉冲模式显著降低能耗：E-50-X仅需8.825 J/mL H₂，较DC-X（13.446 J/mL H₂）节省34.4%。高频（20 kHz）与低占空比（50%）组合能耗最低，因减少电极表面气泡滞留和欧姆损耗。
     

2. 腐蚀抑制与耐久性提升

   • FE-SEM显示，脉冲电压下GDL表面Pt分布更均匀，腐蚀裂纹较少；DC条件下阳极Ir催化剂质量损失达20.54%（脉冲仅8.21%）。XRD证实脉冲工况下钛基体峰强度衰减更缓，表明氧化腐蚀减轻。
     

五、结论与价值
本研究首次系统验证了脉冲电压在PEMWE中的三重优势：（1）通过动态调控反应界面降低能耗；（2）减少气泡积聚与电极腐蚀，延长设备寿命；（3）为间歇性可再生能源供电提供适配方案。科学价值在于揭示了脉冲频率与占空比对电化学动力学的调控机制，应用价值体现在可为工业电解槽设计提供低成本、高能效的技术路径。

六、研究亮点
1. 方法创新：开发专用PWM电路实现kHz级高频脉冲电解，填补PEMWE脉冲调控研究的空白。
2. 性能突破：单位产氢能耗降低至文献报道的同类最低水平之一。
3. 跨学科融合：结合电化学、材料表征与电力电子技术，提出“脉冲-材料-界面”协同优化策略。

七、其他价值
研究获土耳其TUBITAK项目（120M234）及Erciyes大学（FBA-2022-11725）资助，相关技术已申请专利（TR 2022 015892B），为绿氢规模化生产提供新思路。