影响PEM电解水性能的功能因素分析

质子交换膜水电解（PEMWE）系统具有许多优点，如高性能、高质子传导性、快速反应、体积小、工作温度低等。许多功能参数会影响 PEM 的效果，包括温度、阳极和阴极区域的压力、以及阴极和阳极交换电流密度。本文旨在介绍这些参数，并讨论它们对 PEM 性能的影响。下面针对这些功能参数对PEM的效率影响进行简单讨论：

1、温度对PEMWE效率的影响

电解堆应在高温条件下运行，以实现高性能。工作温度会影响阴极和阳极的可逆电压、欧姆过电势和电荷转移过电势，从而影响 PEM 的性能（如下图1）。温度升高可使阴极和阳极区域的欧姆过电压、可逆电压和活化过电压降至最低。

图1：在 0.8 A/cm² 和 0.2 MP以及层宽为 60 µ 时，温度对 PEMWE 小室电压的影响

电极上的反应速率随着温度的升高而增加，导致交换电流密度上升，从而降低了活化过电位。为了研究温度对 PEMWE 性能的影响，已经进行了多项研究。研究结果大致表明：

在相同的 MEA 条件下，温度的升高会引起电流密度的变化，离子导电率的升高对 PEMWE 的效率有很大的积极影响；温度的升高降低了活化电位，导致效率呈指数级提高；在 293-373 K 温度范围内温度对 PEM 效率的影响，工作温度的升高降低了获得相同密度所需的能量，有助于提高 PEM 的效率。总之温度升高增强了离子传导性和电化学活性。此外，研究结果表明，在电流密度较高的情况下，温度的影响变得非常显著（见下图 2）。

然而，由于电解质在工作温度超过 100℃ 时会蒸发，电池性能随温度升高而提高是有限度的。常压下由于水在温度高于 373 K 时会蒸发，因此温度不应升高到超过 373 K，水需要液化以保持电解质层的离子导电性。温度升至 100°C 以上会导致液体饱和度降至最低，以及缺水问题，而加压操作则可避免这一问题。此外，在 PEMWE 中使用水之前，必须对水进行净化，因为未经净化的水会使 PEMWE 的材料和元件降解。水的质量通常由商业制造商规定，涉及电导率和总有机碳含量。温度升高会加速膜材料在热应力作用下的降解，导致膜随时间变薄。此外，由于膜和电解槽中其他组件之间的热膨胀，温度升高会在膜中产生机械应力，导致膜厚度减薄。另外，如果工作条件没有得到严格控制，温度升高会导致膜脱水，从而使膜的厚度减小，因为在没有足够的水维持其膨胀状态的情况下，聚合物结构会轻微塌陷。

另外随着温度的降低，气体通过膜的渗透性降低，通过膜层渗透的氢气量也随之减少。如果氧气中的氢气体积分数超过 4%，就会在氧气区域形成爆炸性气体，导致安全问题增加，因此采用较低温度工作被认为是更安全的做法。此外，一些研究还指出，在电流密度较低的情况下，最佳工作温度值会降低，以达到环境温度。

当阴极在较高压力下运行时，氢气生成率会增加，因为高压可以提高反应物和产物在膜上的质量转移率。此外，由于压力升高，从液态到气态的相变所需的能量减少，可以改变水的汽液平衡，从而提高能量效率。此外，在较高压力下，析氢反应所需的过电位也会降低，从而提高电解过程的电压效率。然而，阴极压力升高会导致 H⁺离子从阳极向阴极反向移动，从而导致过电压升高，使电化学反应减速（见下图3）。因此，阴极压力升高会对 PEMWE 的能效和能量性能产生不利影响。

图3：不同阴极压力下的I-V特性曲线。

在阳极压力保持大气压下，对阴极区压力变化对 PEMWE 效率的研究表明，PEMWE 效率随着压力的升高而降低；在高电流密度下，压力对可逆电池电压升高的影响比对过压降低的影响更为明显，随着阴极压力的升高，所需的电池电压也随之升高。此外，当压力从 1000 Kpa增加到 2000 Kpa时，输入电流也会增加。还有研究分析阴极压力对 PEM 性能的影响，结果表明，将阴极压力从 4bar降低到 1bar可使 PEM 的电压降低 4.8%。此外，氢气压力的增加会降低法拉第性能。尽管提高阴极压力可以提高电解反应的效率，但压缩氢气所需的能量却抵消了这些益处。在稳定性和安全性方面，压力升高会增加系统组件的机械应力，对其耐用性和使用寿命产生负面影响。由于需要更坚固耐用的材料和部件，这导致了资本和维护成本的增加。此外，氢气泄漏的风险也会增加，这就需要有强有力的安全措施来管理这一风险。

要通过提高阴极压力来提高 PEMWE 的效率，必须认真评估相关的技术和成本挑战。阴极压力领域的主要研究重点是材料科学和工程学，以开发更强大的系统，在更高压力下有效运行，同时降低压缩能耗。

3、电流密度对PEM电解的影响

电流密度对电解过程的许多方面都有重大影响，包括系统效率、氢气生成率和系统寿命。电流密度的增加会导致电极表面发生的电化学反应速率增加，从而提高制氢速率。氢气的渗透受到电流密度的积极影响。电流密度的增加会导致叠层电压降低，从而改善电池性能。这可能是由于电流密度的上升增加了电极上的动力学反应，导致电荷转移电阻减小，从而提高了电解池性能。

相比之下，高电流密度会产生大量气体，导致 O₂ 聚集，从而产生两种不同的相流状态，并保护阳极电极免受水的影响。值得一提的是，产生的气体质量传输和水可能会受到这些问题的影响。当催化剂区域产生的气体超过流道的气体吹扫能力时，PEMWE 中产生的气体的聚集会导致水泡阻塞。水泡阻塞的主要原因是管道的横截面和水流速度。研究结果表明，高水流量会导致从气泡到段塞过渡的延迟，从而产生更小的水泡和更少的段塞。在能量效率方面，阳极和阴极过电位会随着电流密度的增加而增加，这意味着需要额外的电压才能以理想的速率驱动电化学反应，从而导致能量效率降低。此外，由于电极、电解质和电气连接器的电阻，电流密度的增加也会导致欧姆损耗的增加，从而进一步降低系统的整体能效。高电流电流密度会对 PEMWE 的耐用性和使用寿命产生负面影响。电流密度升高会加速电极的降解。在高电流密度下，较高的离子通量和较高的工作温度会对薄膜产生应力，从而导致快速降解。在高电流密度下运行 PEMWE 时，应考虑效率、输出和寿命之间的平衡。现代 PEMWE 采用了先进的控制系统，可根据实时数据优化电流密度，以平衡寿命、输出和效率。

4、流量的影响

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：影响PEM电解水性能的功能因素分析