三一氫能研發(fā)團隊分享—PEM電解槽高電流密度設(shè)計

質(zhì)子交換膜（PEM）電解水技術(shù)具備電流密度高、運行壓力高且可差壓運行、功率調(diào)節(jié)范圍寬等顯著優(yōu)勢，與風(fēng)電和光伏具有出色的適配性，市場潛力巨大。然而，在當(dāng)下國內(nèi)制氫電解槽行業(yè)競爭日益激烈的態(tài)勢下，堿性電解槽成本已然降至 1000 元/kW 的水平，而 PEM 電解槽卻仍在 3000 - 5000 元/kW 左右居高不下，致使 PEM 電解槽在國內(nèi)頗有英雄無用武之地之感。在PEM電解槽技術(shù)降本的路徑當(dāng)中，提升電流密度乃是公認(rèn)的首要方案。那么，提升 PEM 電解槽電流密度應(yīng)當(dāng)從哪些角度去考慮和設(shè)計呢？

PEM電解槽電流密度可達到的上限

陽極催化劑和膜電極決定了電流密度所能達到的上限，國內(nèi)科研單位和企業(yè)對此研究最為深入，在 2024 年，電解槽普遍能夠達到 2A/cm?以上的應(yīng)用水平。在催化劑方面，文獻報道其技術(shù)水平在 6 - 10A/cm?，然而到了膜電極的匹配性驗證步驟，部分催化劑的性能無法通過考驗。在整個驗證過程中，較為困難的是尺寸的放大，此過程中因尺寸引發(fā)了電場、流場等新的變化。由于電極尺寸會致使電場分布不均勻、大電極存在不同的傳質(zhì)行為，所以小電極上的催化性能難以轉(zhuǎn)化為大尺寸的高電流密度催化性能。因此，需要更為高效、更節(jié)省時間的穩(wěn)定性和耐久性測試方法，以加快驗證的迭代速度。

（圖：從催化劑到PEM電解槽的電流密度水平）

另一方面，更薄的質(zhì)子交換膜對于電流密度的提升有著顯著的益處。傳統(tǒng)的 N115 膜是一種較為穩(wěn)妥的選擇，然而在挑戰(zhàn)高電流密度時，顯然需要將質(zhì)子交換膜薄到極致，無論是否使用增強層，未來的 PEM 電解水質(zhì)子交換膜極有可能下探到 50μm 以下的尺度。

影響提升電流密度的設(shè)計

首先，在 PTL 的設(shè)計方面，要考慮更為嚴(yán)苛的氣液傳質(zhì)情況。高電流密度不僅會帶來劇烈的傳質(zhì)，還伴隨著散熱的增加。不僅要計算反應(yīng)耗水，還要解決局部過熱的問題。高電流密度對 PEM 水電解槽的影響在于，由于質(zhì)子轉(zhuǎn)移，散熱主要發(fā)生在膜上，而后由于界面中的電子轉(zhuǎn)移，散熱發(fā)生在催化層上。必須去除產(chǎn)生的多余熱量，以在約 90°C 的最高閾值溫度下保持常用的 PFSA 基膜的熱穩(wěn)定性。另外，熱管理對于防止全氟磺酸（PFSA）聚合物膨脹、催化劑降解以及機械應(yīng)力可能產(chǎn)生的熱梯度至關(guān)重要。

其次是體系電阻，在升高電流密度的情況下，體系內(nèi)的電阻是更為敏感的因素。一般來說，膜的占比最高，膜電阻＞界面接觸電阻＞電極和金屬板本體電阻，膜電阻常常也等同于體系內(nèi)部的離子傳輸電阻。PEM 電解槽在這一點上與堿性電解槽有很大的不同，暫時不需要考慮電流密度增加造成的氣泡墻問題。但也需要警惕氣泡過多對水傳輸?shù)挠绊懀幸恍┚哂刑荻鹊?PTL 設(shè)計用于解決這一問題。

（圖：電解槽影響內(nèi)阻的主要因素）

提升電流密度后對電解槽的其他影響

除了前面提到的氣液管理，提升電流密度后的滲氫會顯著增加。根據(jù)實際經(jīng)驗，電密由低到高的過程中，氧中氫的含量是逐漸降低的。結(jié)合一些文獻的報道，我們發(fā)現(xiàn)，這一規(guī)律僅在一定范圍內(nèi)有效。滲氫的通量是隨著電流密度的增加持續(xù)增加，由于總反應(yīng)量的放大，造成一定范圍內(nèi)氧中氫隨電密增大而減小。然而在更大的電密范圍內(nèi)，過飽和效應(yīng)會使得氧中氫濃度也隨著電密增大而增大。

（圖：氫氣的過飽和滲透）

在工程問題方面，提升電流密度還會對鍍層穩(wěn)定性、PTL 層穩(wěn)定性等提出更高的要求，這需要引起研發(fā)人員的重視，給出令人信服的測試結(jié)論。

綜上所述，PEM 電解槽在未來達到 5A/cm?以上的水平已經(jīng)具備材料基礎(chǔ)。在制氫裝備的產(chǎn)品研發(fā)上，需要針對電解槽工程設(shè)計和可靠性調(diào)試開展更細(xì)致的工作。

未來三一氫能將繼續(xù)圍繞圓形槽、方形槽、PEM 槽、BOP 的“3+1”技術(shù)路線，不斷完善并強化集成設(shè)計、材料研發(fā)、仿真分析、試驗驗證、電氣控制、制造工藝、氫安全設(shè)計七大能力。三一氫能期待與行業(yè)客戶、設(shè)計院、供應(yīng)商、科研院所、行業(yè)機構(gòu)等進一步加強合作，達成氫能裝備的高質(zhì)量發(fā)展，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)奉獻三一的力量和三一方案。