三、在槽体和系统层面上的性能
PEM电解质通常在50-80°C下工作，因为膜在超过80°C的温度下会失去结构稳定性。然而，在较低的温度下，固体电解质保持较高的机械稳定性，从而能够在电解质上具有相同或者压差的情况下进行高压操作（>30 bar）。因此，氢气可以在高压下输送，无需进一步压缩增压。在压差操作下，只有阴极侧通常处于压力下。与碱性水电解相比，PEM水电解可以在更高的电流密度下工作，能够达到超过2A/cm2[3]的值。下图显示了基于厚度在30至200µm之间的PFSA膜的PEM电解槽单电池的预期性能范围：
除了单个电池的电流和电压性能外，从阴极到阳极的氢量以及产生的氢是PEM电解中考虑的一个重要因素。氢氧气交叉既会降低电池的整体效率，也会由于可能形成可燃或爆炸性气体成分而导致的安全问题，对操作条件会造成可能的限制。氧气中的氢含量应保持在2%以下，主要是膜厚度、气体压力和电流密度之间的折衷，并在一定程度上取决于温度。在给定的电池电压下（上图中蓝色区域的下部），较薄的膜允许更高的电流密度，但存在与气体交叉相关的挑战。
对于商用质子交换膜电解堆，额定效率和比能耗在60%-68%LHV和4.4-5.5 kWh/Nm3的范围内，而PEM电解系统的额定效率和比能耗在46%–60%LHV和5.0–6.5 kWh/Nm3的范围内，包括公用设施的辅助负荷和损耗（约0.4–0.8 kW h/Nm3）。一般来说，PEM电解槽目前的效率略低于碱性电解槽，这是因为在更高的电流密度和更低的温度下运行，而且PEM系统的尺寸更小，导致寄生损耗通常更高。随着质子交换膜电解槽成本的降低和系统尺寸的增加，这种效率差距有望缩小。
四、降解机理以及寿命
质子交换膜电解槽的正常预期寿命约为20年。在此期间，预计会定期维护和更换零件，但主要的成本驱动元件，如PEM电解槽组，预计在不进行任何更换或大修的情况下，其运行寿命将超过50000小时。其寿命主要取决于以下两点：
B.氢气的纯度足以满足预期用途，且氢气中的氧气含量净化前的氢气不超过安全限值。
电解槽可能会因突发事件或不可预见事件而触犯其中一个或两个条件，或通过可预测和逐步衰减降低性能，从而达到上述寿命限制。
PEM电解槽电堆的寿命终止标准没有详细定义，根据业主每生产单位氢气的可接受能量使用的限制，以及电解槽其他部分导致电堆性能降低的任何限制，电堆的寿命终止标准将随使用情况和生产商之间的不同而变化（例如，电源的最大额定值）。
一般来说，制氢能耗的可接受增长大约是在运行90,000小时内增加20%。这样电解槽的寿命约为10年，这将使电解槽的平均使用寿命比额定使用寿命多10%。
本文讨论了PEM电解槽的降解机理，并对其主要发现进行了总结如下：
1.双极板和集流器
钛具有优异的强度，低电阻率和气体渗透性，但它也容易氧化，在表面形成一个低电导率的氧化层，随着时间的推移而增长，增加了电池的接触电阻。这个问题通常可以通过在钛上涂上铂或Au涂层来缓解。在氢气存在的情况下，可以形成氢化物(TiH2)，也会增加阻力，在最坏的情况下会导致脆化和在应力作用下开裂的风险。Rakousky等人观察到PEM电解电池的整体电阻显著增加，并将这种增加的大部分归因于Ti材BPP和PTL之间的接触电阻的增加。他们测量了Ti-PTL的接触电阻，发现它从测试开始时的49米欧姆每cm2增加到测试结束时的238米欧姆平方cm2。由于非原位试验的实验条件与原位情况有显著差异，作者还用铂涂层Ti-PTL进行了比较原位试验。使用pt涂层的Ti-PTL，电池电压明显比没有涂层的更稳定，与未涂层的Ti-PTL相比，在54mV的380小时内仅增加了4mV。因此，涂有铂涂层的钛材降解率降低了89%。由于阳极的高电位和低pH环境，钛是少数可用的材料之一。
2.催化剂和电极失效机理
阳极和阴极催化剂上的降解现象存在显著差异。阳极催化剂必须能够承受非常恶劣的操作条件：高电位（>1.5 V vs RHE）和低pH值，高压下存在氧气，由于氧气气泡形成的机械应力，以及催化剂层多孔结构中的潜在气穴，还有高电流密度或产生的氧和氢在膜上的复合而产生的局部热点。
阴极催化剂的腐蚀性较低，电位较低（<0 V vs RHE），但必须面对OH-自由基和H2O2的形成，这是由于氧从阴极穿过膜的电化学还原，和催化剂层中析氢而产生的机械应力。阴极催化剂对水中的有机污染物或金属离子杂质也很敏感，在操作过程中，这些杂质可能会沉积在催化剂表面，降低析氢活性。
3、电解质失效机理
所使用的聚合物电解质膜与PEM燃料电池中所使用的膜基本相同，但由于操作条件的不同，降解机理有所不同。一般来说，膜的降解可以分为三类：化学/电化学、机械或热降解。
化学降解主要是由于强氧化剂如过氧化氢（过氧化氢）和自由基中间体如过氧化氢(HO2)和羟基(HO)的存在，这些中间体是通过阳极交叉氧还原在阴极上产生的。这些氧化物质攻击离聚物的主链，导致链的断裂、解压缩、官能团的丧失和膜的变薄。
这种化学降解可以通过直接使用氟化物敏感电极或通过水电导率测量间接测量电池出水中氟化物的排放率（通常称为氟化物释放率（FRR））来监测。FFouda Onana等人使用FCH-JU资助的新项目中开发的AST协议研究了PEM水电解槽的降解，发现在80°C时FRR比60°C高五倍，在中等电流密度（0.2至0.4 A/cm2）时FRR最高。
与金属离子中毒的膜也会显著影响膜的性能。这些离子是通过对电解槽和BOP的金属部件腐蚀而产生的，只有微量的离子可以通过从膜的离子交换位置取代质子来不断地降低电解质的电导率。
当膜被过渡金属阳离子污染时，它们能促进过氧化氢的化学分解并产生自由基，加速膜变薄，铁和铜离子大幅增加膜降解，而钴和铬离子似乎不起重要作用。
机械降解通常是PEM电解槽早期和/或急性故障的原因。通过压力或湿度循环产生的机械应力，或通过施加在电池特定区域上的施加的压缩外力，或因异物/颗粒或制造错误而集中在局部区域的力，都可能导致穿孔、撕裂或裂纹。
五、系统和操作经验
系统停机主要是由于电能质量差或缺乏维护。大多数电解槽需要三相480 V输入电源。如果相位经常下降，经常出现功率骤降或浪涌，或者如果功率输入通常过于嘈杂，则可能对电力电子设备有害。高频电噪声还可能在堆中引起异常的场效应，从而导致催化剂降解。所有这些问题通常都可以通过系统上游的功率调节来解决。
在其他方面，BOP类似于发动机或设备，同样需要维修手册和套件中定义的日常维护。需要定期更换过滤器和介质，如干燥剂或去离子树脂，以保持系统最佳运行。电解液，甚至去离子水，具有不同程度的腐蚀性，最终会降解建筑材料。其他部件（如塑料、泵和阀门）的更换频率较低，但也需要定期进行以防止意外停机。
六、系统配置和设计
除了太空制氧等高度专业化的应用外，大多数质子交换膜系统设计用于向电池的阳极侧供水，通常以高过量化学计量比供水，也用作电池的冷却剂。一些系统还向电池的氢侧提供双给水，如果氢是在接近环境压力的情况下产生的，则更为典型。对于典型的30巴系统，系统相对简单，如下框图所示。
当水在阳极和水箱中循环时，产生的氧气可能会从水箱中逸出。生成的氢还含有质子的水，这些质子将额外的水分子拖过膜。需要在相分离器中去除液态水，同时通过干燥去除水蒸气。系统内还有各种安全保护装置，包括防止过压的安全阀，以及可燃气体传感器，用于在氢气泄漏时关闭电源输入。根据电解槽的规模，该系统可包装成箱/柜或容器，也可建造在建筑物内。在任何配置中，都需要足够的通风以保持安全运行，并且流体部件与电气部件分开。
原文始发于微信公众号（氢眼所见）：PEM电解系统的效能以及失效模式
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