日前，由合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源院（安徽能源實(shí)驗(yàn)室）與合肥中能大友能源技術(shù)有限公司共建的新能源先進(jìn)測(cè)控技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)2年時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)，推出了一套基于高精度制氫多場(chǎng)耦合控制的100kW級(jí)質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫測(cè)試設(shè)備。該臺(tái)架秉承“精準(zhǔn)、安全、可溯、智能”的設(shè)計(jì)理念，旨在解決商業(yè)化大功率PEM電解槽測(cè)試中面臨的電流密度、溫度、壓力耦合性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高、以及安全性難以保障等核心挑戰(zhàn)。

圖1：100kW級(jí)PEM電解槽制氫多場(chǎng)耦合測(cè)試設(shè)備實(shí)物圖

項(xiàng)目理念

圖2：設(shè)備穩(wěn)定性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圍繞“雙碳”目標(biāo)，綠氫是深度脫碳的核心載體。PEM電解水技術(shù)因其效率高、響應(yīng)快、負(fù)荷范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，是適配波動(dòng)性可再生能源（如風(fēng)電、光伏）的理想制氫路徑。該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室-scale（kW級(jí)）走向產(chǎn)業(yè)化-scale（MW級(jí)）過(guò)程中，電解槽的耐久性和成本仍是瓶頸。其性能衰減與材料在諸如高電流密度、高壓、高溫、頻繁啟停實(shí)際復(fù)雜工況下的失效機(jī)制密切相關(guān)。因此，研發(fā)一個(gè)能夠精準(zhǔn)模擬產(chǎn)業(yè)化使用環(huán)境、同時(shí)具備實(shí)驗(yàn)室級(jí)分析精度的橋接式測(cè)試平臺(tái)，對(duì)于材料篩選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和壽命預(yù)測(cè)至關(guān)重要。

該設(shè)備核心價(jià)值還在于，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，超越了傳統(tǒng)性能測(cè)試功能。其設(shè)計(jì)目標(biāo)不僅是驗(yàn)證電解槽的性能指標(biāo)，更是成為了一個(gè)“材料工況行為解析器”，能夠精確控制實(shí)驗(yàn)邊界條件，從而清晰地建立宏觀性能輸出與微觀材料演化之間的因果關(guān)系，提供高質(zhì)量、高保真的失效分析數(shù)據(jù)。該套設(shè)備集成了高精度流體控制、多場(chǎng)協(xié)同控制策略和多級(jí)安全聯(lián)鎖與數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，其最高實(shí)驗(yàn)壓力可以達(dá)到10MPa。通過(guò)高精度溫度梯度控制（±0.5°C）、去離子水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)與反饋（≤0.1 μS/cm）、壓力（背壓控制精度<±0.5%F.S.）、及電化學(xué)參數(shù)（電壓采集精度≤2mV）的極致控制，以及毫秒級(jí)快速啟停邏輯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電解槽內(nèi)部反應(yīng)界面（三相界面）狀態(tài)的精準(zhǔn)模擬與調(diào)控，為研究PEM電解槽及其催化層、質(zhì)子交換膜、多孔傳輸層等關(guān)鍵材料在擬工業(yè)化工況下的性能衰減機(jī)理提供了一個(gè)可靠的研發(fā)與驗(yàn)證平臺(tái)。

技術(shù)背景

圖3：背壓控制結(jié)構(gòu)示意圖（Introduction to Equilibar BPRS Technology）

1.測(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

1.1 整體架構(gòu)與設(shè)計(jì)理念

該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，核心包括：(i) 循環(huán)加熱與供給單元；(ii) 氮?dú)獯祾邌卧?iii) 氫側(cè)管理單元；(iv) 氧側(cè)管理單元；(v) 外置純化單元；(vi) 電源與數(shù)據(jù)采集單元。

1.2 核心子系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與材料學(xué)意義

1.2.1 高精度熱管理與水質(zhì)控制單元

設(shè)計(jì): 系統(tǒng)采用多級(jí)溫度控制策略。主循環(huán)罐配備大功率加熱器（升溫速率≥3.5℃/min），由PID算法實(shí)現(xiàn)RT+5°C-90°C范圍內(nèi)±1°C的控制精度。關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)（如電解槽進(jìn)出口）采用A級(jí)精度熱電偶進(jìn)行監(jiān)控。

水質(zhì)管控：采用“過(guò)濾器 + 去離子器”組合，確保進(jìn)入電解槽的水質(zhì)電阻率≥10 MΩ·cm，并由在線電導(dǎo)率裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

材料關(guān)聯(lián)：精準(zhǔn)的溫度控制極大抑制了因熱循環(huán)導(dǎo)致的膜電極組件（MEA）各層材料間熱機(jī)械應(yīng)力失效。超純水則徹底避免了Ca2?/Mg2?等離子對(duì)Nafion?膜磺酸基團(tuán)的毒化，以及Cl?等陰離子對(duì)催化劑活性位的占據(jù)與腐蝕，確保了觀測(cè)到的性能衰減源于材料本征退化而非外部污染。

1.2.2 氫/氧側(cè)氣液分離與背壓控制單元

設(shè)計(jì)：主機(jī)配備高效氣液分離罐，并分別采用高精度氣動(dòng)背壓閥進(jìn)行獨(dú)立壓力控制。背壓壓力控制范圍0.5-10MPa，精度<±0.5%F.S.；

材料關(guān)聯(lián)：獨(dú)立、精準(zhǔn)的背壓控制是研究機(jī)械衰減的關(guān)鍵。它能模擬從常壓到商業(yè)化高壓系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，用于研究高壓差對(duì)PTL孔結(jié)構(gòu)、催化層附著性以及氣體交叉滲透行為的影響，這些都是導(dǎo)致膜電極機(jī)械損傷和性能衰減的核心因素。

1.2.3 全方位安全聯(lián)鎖與樣本保護(hù)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)：系統(tǒng)構(gòu)建了多重安全防護(hù)：

參數(shù)監(jiān)控：超過(guò)50個(gè)溫度、壓力及流量高精度傳感器，監(jiān)測(cè)全流路狀態(tài)。

緊急響應(yīng)：任何參數(shù)超限或發(fā)生氫泄漏，系統(tǒng)可觸發(fā)毫秒級(jí)（<50ms）緊急停機(jī)，同時(shí)自動(dòng)切斷電源、關(guān)閉閥門并啟動(dòng)氮?dú)獯祾摺?/p>

材料關(guān)聯(lián)：此系統(tǒng)不僅是對(duì)人身安全進(jìn)行防護(hù)，更是對(duì)珍貴測(cè)試樣本（電解槽）的全方位保護(hù)。它能防止因個(gè)別單槽反極（電壓>2.8V）或氣體交叉導(dǎo)致的不可逆 災(zāi)難性失效（Catastrophic Failure），從而為測(cè)試結(jié)束后對(duì)MEA進(jìn)行事后分析（Post-mortem Analysis）保留了完整的、可用于分析的樣本，這是進(jìn)行失效機(jī)理研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2.4 高精度電性能監(jiān)測(cè)與診斷單元

設(shè)計(jì)：450kW直流電源，具備CV/CC/CP模式，電流/電壓控制精度≤0.5%F.S.。集成了一套多通道電壓巡檢儀（CVM），單通道測(cè)量精度≤2mV。

材料關(guān)聯(lián)：通過(guò)CVM診斷電解槽核心材料的均勻性。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)單池的電壓，精準(zhǔn)定位因催化劑涂布不均、膜厚不均或局部阻塞導(dǎo)致的性能薄弱點(diǎn)。電壓的微小波動(dòng)和趨勢(shì)是催化劑降解、膜干涸或水淹等微觀過(guò)程的宏觀體現(xiàn)，為離線材料分析提供了明確指向。

2. PEM 100kW電解槽制氫多場(chǎng)耦合測(cè)試設(shè)備核心性能指標(biāo)與材料研究?jī)r(jià)值

3. 臺(tái)架在材料研究中的應(yīng)用范式

該設(shè)備的強(qiáng)大能力使其能夠執(zhí)行多種高級(jí)測(cè)試協(xié)議，遠(yuǎn)超簡(jiǎn)單的性能驗(yàn)證：

材料篩選與優(yōu)化（Screening & Optimization）: 可在相同的、受控的苛刻工況下（如90°C, 3.0 MPa, 2.0 A/cm?），對(duì)比測(cè)試不同MEA（如不同Ir載量的催化劑、不同厚度的膜）的初始性能與衰減速率，為材料選擇提供直接、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

加速應(yīng)力測(cè)試（Accelerated Stress Test, AST）: 通過(guò)設(shè)計(jì)特定的動(dòng)態(tài)工況（如頻繁啟停、負(fù)載循環(huán)、壓力循環(huán)），可以針對(duì)性加速某一特定失效機(jī)制（如催化層腐蝕、載體碳腐蝕、膜化學(xué)降解等），從而在較短的時(shí)間內(nèi)獲得材料的壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

失效機(jī)理研究（Degradation Mechanism Study）: 通過(guò)消除水溫、水質(zhì)、熱管理等外部變量的干擾，確保了性能衰減數(shù)據(jù)的高重復(fù)性與可歸因性，使研究人員可以確信性能變化源于測(cè)試樣本本身。在完成長(zhǎng)時(shí)間耐久性測(cè)試后，對(duì)受到系統(tǒng)保護(hù)的電解槽進(jìn)行拆解，利用SEM, TEM, XPS等表面分析技術(shù)對(duì)MEA進(jìn)行Post-mortem分析。