学术研究报告：高电流密度下聚合物电解质膜水电解槽的稳定性挑战
作者及机构
本研究由Christoph Rakousky、Gareth P. Keeley、Klaus Wippermann、Marcelo Carmo*（通讯作者）和Detlef Stolten共同完成，研究团队来自德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich GmbH）的能源与气候研究所（IEK-3）及亚琛工业大学（RWTH Aachen University）燃料电池教席。研究成果发表于2018年4月的《Electrochimica Acta》第278卷，页码324-331。
研究领域与动机
聚合物电解质膜（PEM, Polymer Electrolyte Membrane）水电解技术是绿色制氢的核心途径之一，其通过可再生能源电力驱动水分解产生氢气。为降低投资成本，工业界正推动PEM电解槽在高电流密度（>2 A cm⁻²）下运行，但长期稳定性尚不明确。本研究旨在揭示高电流密度（2–3 A cm⁻²）下PEM电解槽的耐久性与降解机制，并评估其在恒定与间歇性运行模式（模拟可再生能源波动）中的表现。
科学问题
现有研究多聚焦于低电流密度（≤1 A cm⁻²）下的降解，而高电流密度（如2–3 A cm⁻²）下的长期稳定性数据匮乏，且间歇性运行对降解的影响存在争议。此外，阳极多孔传输层（PTL, Porous Transport Layer）的抗腐蚀涂层在高电流下的失效机制尚未阐明。
1. 实验设计与材料制备
- 催化剂涂层膜（CCM, Catalyst-Coated Membrane）：采用刮刀-转印法制备，阳极使用IrO₂（2.2 mg cm⁻²），阴极使用Pt/C（0.8 mg cm⁻²），电解质为Nafion®117膜。
- 多孔传输层（PTL）：阴极采用Toray碳纸，阳极采用钛烧结板（Ti-PTL），表面溅射200 nm铂涂层以抗腐蚀。
- 测试装置：单电解池（活性面积17.64 cm²），80°C下运行，超纯水循环（25 cm³ min⁻¹）。
2. 长期测试方案
- 恒定电流测试（Cell 1）：先以2 A cm⁻²运行1100小时，后升至2.5 A cm⁻²和3 A cm⁻²至1940小时。
- 间歇性电流测试（Cell 2）：交替运行6小时高电流（2.5⁄3 A cm⁻²）与6小时低电流（1 A cm⁻²）。
- 监测手段：极化曲线（0.01–3 A cm⁻²）、电化学阻抗谱（EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy）、水质电导率检测。
3. 降解机制分析
- EIS与等效电路拟合：采用R(QR)(QR)模型分离欧姆电阻（Ru）、电荷转移电阻（Rct）及质量传输电阻（Rmt）。
- PTL涂层失效验证：测试后拆解电解池，通过SEM观察铂涂层剥离现象，并更换为碳纸PTL对比EIS数据。
1. 高电流密度下的稳定性
- 2 A cm⁻²阶段（Phase I–II）：电压稳定（降解率 μV h⁻¹），欧姆电阻（Ru）因CCM与PTL界面适配性改善而降低。
- ≥2.5 A cm⁻²阶段（Phase III）：电压显著上升（51 mV），归因于：
- 欧姆电阻增加（贡献25%）：Ti-PTL铂涂层局部剥离导致钛基体钝化，接触电阻升高。
- 质量传输限制（贡献24%）：剥离的铂颗粒附着于CCM阳极侧，阻碍反应物扩散（EIS低频区新增半圆）。
2. 间歇性运行的影响
动态电流模式与恒定模式的降解速率无显著差异，表明抗腐蚀涂层Ti-PTL可兼容可再生能源的功率波动。
3. 关键发现
- 涂层失效阈值：铂涂层在2 A cm⁻²下稳定，但在≥2.5 A cm⁻²时因机械/化学作用（气泡冲击或腐蚀）剥离。
- 降解贡献量化：通过EIS数据与极化曲线拟合，首次将欧姆损耗与传质损耗的贡献分别解析为25%和24%。
科学意义
1. 机制解析：明确了高电流密度下PEM电解槽的两大降解主因——欧姆电阻上升与传质限制，均与Ti-PTL涂层失效直接相关。
2. 工程指导：为优化PTL抗腐蚀涂层（如增强附着力或开发替代材料）提供了实验依据，以支持3 A cm⁻²级电解槽的长期运行。
应用价值
本研究证实PEM电解槽可适配间歇性可再生能源输入，且通过涂层改进可进一步提升高电流密度下的耐久性，推动绿氢规模化生产。
其他价值
研究提出的降解量化模型（式1-4）为后续电解槽寿命预测提供了方法论框架。