三一氢能研发团队分享—PEM电解槽高电流密度设计

质子交换膜（PEM）电解水技术具备电流密度高、运行压力高且可差压运行、功率调节范围宽等显著优势，与风电和光伏具有出色的适配性，市场潜力巨大。然而，在当下国内制氢电解槽行业竞争日益激烈的态势下，碱性电解槽成本已然降至 1000 元/kW 的水平，而 PEM 电解槽却仍在 3000 - 5000 元/kW 左右居高不下，致使 PEM 电解槽在国内颇有英雄无用武之地之感。在PEM电解槽技术降本的路径当中，提升电流密度乃是公认的首要方案。那么，提升 PEM 电解槽电流密度应当从哪些角度去考虑和设计呢？

PEM电解槽电流密度可达到的上限

阳极催化剂和膜电极决定了电流密度所能达到的上限，国内科研单位和企业对此研究最为深入，在 2024 年，电解槽普遍能够达到 2A/cm?以上的应用水平。在催化剂方面，文献报道其技术水平在 6 - 10A/cm?，然而到了膜电极的匹配性验证步骤，部分催化剂的性能无法通过考验。在整个验证过程中，较为困难的是尺寸的放大，此过程中因尺寸引发了电场、流场等新的变化。由于电极尺寸会致使电场分布不均匀、大电极存在不同的传质行为，所以小电极上的催化性能难以转化为大尺寸的高电流密度催化性能。因此，需要更为高效、更节省时间的稳定性和耐久性测试方法，以加快验证的迭代速度。

（图：从催化剂到PEM电解槽的电流密度水平）

另一方面，更薄的质子交换膜对于电流密度的提升有着显著的益处。传统的 N115 膜是一种较为稳妥的选择，然而在挑战高电流密度时，显然需要将质子交换膜薄到极致，无论是否使用增强层，未来的 PEM 电解水质子交换膜极有可能下探到 50μm 以下的尺度。

影响提升电流密度的设计

首先，在 PTL 的设计方面，要考虑更为严苛的气液传质情况。高电流密度不仅会带来剧烈的传质，还伴随着散热的增加。不仅要计算反应耗水，还要解决局部过热的问题。高电流密度对 PEM 水电解槽的影响在于，由于质子转移，散热主要发生在膜上，而后由于界面中的电子转移，散热发生在催化层上。必须去除产生的多余热量，以在约 90°C 的最高阈值温度下保持常用的 PFSA 基膜的热稳定性。另外，热管理对于防止全氟磺酸（PFSA）聚合物膨胀、催化剂降解以及机械应力可能产生的热梯度至关重要。

其次是体系电阻，在升高电流密度的情况下，体系内的电阻是更为敏感的因素。一般来说，膜的占比最高，膜电阻＞界面接触电阻＞电极和金属板本体电阻，膜电阻常常也等同于体系内部的离子传输电阻。PEM 电解槽在这一点上与碱性电解槽有很大的不同，暂时不需要考虑电流密度增加造成的气泡墙问题。但也需要警惕气泡过多对水传输的影响，有一些具有梯度的 PTL 设计用于解决这一问题。

（图：电解槽影响内阻的主要因素）

提升电流密度后对电解槽的其他影响

除了前面提到的气液管理，提升电流密度后的渗氢会显著增加。根据实际经验，电密由低到高的过程中，氧中氢的含量是逐渐降低的。结合一些文献的报道，我们发现，这一规律仅在一定范围内有效。渗氢的通量是随着电流密度的增加持续增加，由于总反应量的放大，造成一定范围内氧中氢随电密增大而减小。然而在更大的电密范围内，过饱和效应会使得氧中氢浓度也随着电密增大而增大。

（图：氢气的过饱和渗透）

在工程问题方面，提升电流密度还会对镀层稳定性、PTL 层稳定性等提出更高的要求，这需要引起研发人员的重视，给出令人信服的测试结论。

综上所述，PEM 电解槽在未来达到 5A/cm?以上的水平已经具备材料基础。在制氢装备的产品研发上，需要针对电解槽工程设计和可靠性调试开展更细致的工作。

未来三一氢能将继续围绕圆形槽、方形槽、PEM 槽、BOP 的“3+1”技术路线，不断完善并强化集成设计、材料研发、仿真分析、试验验证、电气控制、制造工艺、氢安全设计七大能力。三一氢能期待与行业客户、设计院、供应商、科研院所、行业机构等进一步加强合作，达成氢能装备的高质量发展，为实现“双碳”目标奉献三一的力量和三一方案。