质子交换膜(PEM)水电解槽的资本支出与其耐久性直接挂钩。市场普遍要求该技术在额定工况下把电化学性能保持 1×10⁴~1×10⁵ h 以上。PEM 电解槽的耐久性已相当可观:在间歇运行模式下,已有堆叠级系统在 50 000 h 以上的测试中未出现明显性能衰退。部分结果见图 1。

与燃料电池类似,衰减率通常用 μV·h⁻¹ 表示。借助内部参比电极,可同时记录单池电压以及阳极和阴极电极电位。本实验(实验室规模,使用 1.8 MΩ·cm 去离子水,并严格控制进水纯度)表明,退化主要由阳极活性损失驱动。性能衰退可分为两类:
1. 可逆的物理过程:典型例子是微量杂金属阳离子进入 SPE。这些阳离子源于不锈钢管与高纯去离子水接触后的溶出,随后通过离子交换取代膜内的质子。在外电场作用下,杂质迁移至阴极,并在铂颗粒上形成欠电位沉积物,导致阴极过电位随时间升高、能耗增加。该问题可通过严格监控进水质和定期维护得以控制。
2. 不可逆的破坏现象:例如催化层逐渐侵蚀、活性位点丢失,以及因局部热点导致的 SPE 化学降解(热点可能源于电流线不均匀重分布或静止状态下过氧化氢的形成)。此类退化最终会引起 MEA 和电解槽的突然穿孔、失效,文献已有相关案例。定期维护同样可显著减轻其负面影响。
图 1 展示了 PEM 水电解槽在长期运行中的单电极行为。测试条件:Ti-IrO₂/Nafion117/Pt,电流密度 500 mA cm⁻²。图中分别给出阳极、阴极的衰减率:
- 阳极:41 μV·h⁻¹
- 阴极:3 μV·h⁻¹
整体单池电压衰减率为 38 μV·h⁻¹。
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