科普 | PEM電解槽極化特性

在質子交換膜（PEM）電解槽的實驗室研究中，由于設備結構異常緊湊——膜電極組件（MEA）厚度不足 1 mm——無法像傳統液體電解質體系那樣插入飽和甘汞電極或毛細管來分別測定陽極和陰極的電位。為此，研究者發展出一種“內部參考電極”方案：在膜片的頂部沉積一層薄鉑，并向其持續供氫，該電極即可保持與標準氫電極（NHE）等效且高度穩定的電位。盡管這種構型在工業級裝置上難以放大，卻為實驗室精確解析單電極反應提供了可行途徑。

圖1：參考電極

圖 2 給出了 90 ℃、常壓條件下，小室電壓與工作電流密度的對應關系。在此溫度下，水分解的理論自由能電壓約為 1.18 V。實際測量中，SPE 的離子電阻及非 MEA 構件的電子電阻構成了兩項隨電流密度線性增加的歐姆損耗；若能將 1 A·cm?2 時的電池面電阻控制在 x mΩ·cm2，則對應的電壓損失僅為 x mV。陰極氫析出反應（HER）因動力學較快，其過電位 η_H? 通常較小；相比之下，陽極氧析出反應（OER）過電位 η_O? 明顯更高，成為能量損失的主導項。雖然 RuO? 的催化活性優于 IrO?，但高電位下 RuO? 易被腐蝕失活，因此工業上仍主要采用 IrO?，而 Pt 的 OER 活性最差。

圖2

進一步考察溫度效應（圖3）可見，小室電壓及各極化分量均隨溫度顯著變化。綜合性能與衰減速率，PEM 電解槽的最佳運行溫度區間被鎖定在 60–90 ℃；然而溫度越高，材料降解越快，工業應用中必須在效率與壽命之間做出平衡。

圖3