PEM电解槽测试问题

不少从业者在测试质子交换膜（PEM）电解槽时，常会遇到性能不达预期的情况，却难以定位问题根源。影响测试性能的因素较多，包括催化剂特性、浆料分散效果、喷涂工艺参数、催化剂负载量、质子膜选型、密封垫片匹配度及组装力矩等，其中膜电极制备环节是核心影响因素。排查问题前需建立参照标准，商用 PEM 电解槽的典型参数可作为基准：阳极采用氧化铱（IrO₂）催化剂，阴极采用铂碳（Pt/C）催化剂，催化剂与质子膜溶剂配比为 0.8~1；通过探针超声、匀浆机实现浆料分散后，采用静电喷涂、超声喷涂、二流体喷涂或卷对卷工艺，将催化剂负载于质子膜（即 CCM 结构），阳极负载量通常为 1.0~1.5mg/cm²，阴极为 0.2~0.4mg/cm²；质子膜可选用国产型号或进口 115/117 系列，阳极气体扩散层为镀铂钛毡，阴极可选镀铂钛毡或碳纸；组装力矩需≥6N，采用纯水进液，流速按有效面积计算不低于 20mL/(min・cm²)，测试温度控制在 80℃，在此条件下膜电极性能通常可维持在 2A/cm²@2V 水平。

商用电解槽的典型测试条件可参考：阳极 IrO₂负载量 1.0mg/cm²，阴极 Pt/C 负载量 0.2mg/cm²，质子交换膜选用 115 系列，催化剂有效面积为 1cm² 或 25cm²，阴阳极扩散层均为镀铂钛毡；测试温度 80℃，循环水电导率＜5μS/cm²，4cm² 面积对应流速 200mL/min，25cm² 面积对应流速 1.0L/min。可对照上述参数，逐项排查电解槽性能不佳的原因：

一、催化剂性能排查
自主合成的阳极酸性氧析出反应（OER）材料，在组装膜电极（MEA）前，需通过三电极体系测试筛选。若三电极测试中，材料的性能与稳定性优于商用 IrO₂，则组装后通常能达到更优效果；若组装后性能不及商用水平，大概率是膜电极制备环节存在问题，可尝试使用商用 IrO₂材料复刻测试，验证是否能达到商用标准，以排除催化剂本身的影响。

二、浆料分散问题处理
浆料问题主要源于分散不充分。若自主合成的催化剂粒径较大，易发生沉降，难以实现均匀分散，进而导致喷涂效果差、材料比表面积低、性能衰减快、催化剂易脱落，甚至堵塞喷涂喷头。可通过延长超声时间改善分散效果，但根本解决方案是在合成阶段减小材料粒径，从源头提升分散性。

三、喷涂工艺优化
喷涂工艺是影响膜电极性能的关键因素。手动滴涂或手持喷枪喷涂，难以保证均匀性，且催化剂与膜的粘附性差，易出现脱落、传质不畅等问题；若喷涂时溶剂未及时挥发，还可能导致质子膜溶胀，引发更严重故障。部分从业者选择将催化剂用喷涂于扩散层后再与膜压合，理论上，无论喷涂于膜表面还是扩散层，经机械拧紧或热压后效果相近，但实际应用中，由于粘结剂与质子膜的结合更稳定，且更利于质子传输，因此将催化剂直接喷涂于膜表面（CCM 结构）的效果更优。
对于在扩散层上原位生长的 CCS 自支撑电极，无需考虑粘附性问题，可直接使用；但粉体催化剂需通过喷涂工艺负载，因此商用场景中普遍采用 CCM 方案，利用超声喷涂设备将浆料喷涂于膜表面。CCM 喷涂需专用设备支持，若测试量较小，委托专业机构加工膜电极比自行购置设备更经济；若实验室具备喷涂设备，建议先使用商用催化剂制备膜电极，与商用测试结果对比，验证工艺稳定性后，再测试自主材料的膜电极。

四、催化剂负载量控制
催化剂负载量与性能呈 “火山图” 关系：负载量过低会导致活性位点不足，影响性能与稳定性；负载量过高则会阻碍传质，同样降低性能。不同催化剂的最佳负载量存在差异，目前商用阳极 IrO₂的主流负载量为 1mg/cm²，可在控制成本的同时保证测试稳定性。部分企业宣称能将 IrO₂负载量降至 0.4~0.5mg/cm²，文献中也有更低负载量的报道，但低负载量膜电极需经过长期稳定性验证，切勿为追求低负载而忽视耐久性。

五、质子膜选型建议
此前常用的进口 115/117 系列全氟磺酸质子膜，目前国内采购渠道受限，需注意甄别产品真伪。近年来国产质子膜技术快速发展，性能与耐受性已接近进口产品，且价格仅为进口膜的一半，有效打破了依赖进口的局面，解决了该领域的技术瓶颈。

六、密封垫片匹配要点
垫片厚度需与扩散层厚度匹配，其尺寸会影响电解槽的接触电阻，可通过阻抗测试分析匹配效果，确保垫片与电极结构的适配性。

七、组装力矩调节
即使是相同型号的电解槽，组装力矩不同也会影响测试结果。膜电极有效面积越大，所需力矩越高，以保证电解槽密封性。通常力矩需控制在 6N 以上，力矩过小会增加接触电阻，过大则可能损坏质子膜或阻碍扩散层传质。
除上述因素外，双极板耐腐蚀性、流道设计及进液流速等也会影响性能。若缺乏足够精力逐项排查，可委托专业机构完成膜电极制备与组装测试，以便聚焦材料本身的研究。

膜电极使用与保存注意事项
即使膜电极制备达标，不当的使用与保存也会导致性能衰减，需注意以下要点：

• 现做现用与密封保存：膜电极建议现制备现使用。若实验室具备喷涂设备，一次制备的未用完膜电极需真空密封保存，保质期可达 3 个月以上；采购的成品膜电极，需要求供应商真空密封发货，未使用部分及时真空密封储存。
• 使用后湿态保存：用过的膜电极需在湿态、密封、避光条件下保存，并尽快再次测试。若测试暂停且不拆卸电解槽，需保持持续通水或注水封口，确保膜电极始终处于湿润状态 —— 质子膜干燥后性能会快速衰减且无法修复；若需拆卸或更换膜电极，需将使用过的膜电极在湿润状态下密封避光保存，并在一周内完成再次测试，避免其因接触空气湿度、氧气或光照导致性能下降。
• 测试时的通水与控温：电解槽需先通水后通电，防止干烧损坏质子膜。带加热棒或加热片的控温电解槽，需从室温缓慢升温至目标温度，避免直接设置高温导致瞬时功率过大，对膜电极造成不可逆损伤；若通过水浴加热电解液控温，待电解液温度稳定后即可通入电解槽，同时需做好电解槽温度监测与保温。
• 电化学活化：制备好的膜电极无需泡水活化，但需对催化剂进行电化学活化 —— 在电流密度≤1A/cm²（或电压≤1.8V，建议选用 1.6~1.7V）的条件下恒压运行一段时间，待电流稳定后即可正常测试。只要性能未衰减，制备好的膜电极可持续使用，无需频繁更换。

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