质子交换膜水电解槽局部爆燃形成机制与安全预防研究

本刊推荐：为解决质子交换膜(PEM)水电解技术工业化进程中存在的安全隐患，研究人员针对水饥饿引发的局部爆燃现象开展多尺度研究。通过原位观测与模拟计算揭示膜电极组件(MEA)温度超150°C导致质子交换膜(PEM)穿孔的链式反应机制，提出ξ≥22的安全操作阈值及复合膜强化方案，为兆瓦级绿氢工厂安全设计提供理论依据。

　　

随着全球能源转型加速，质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)水电解技术因其高能效、零污染等优势，成为绿氢制备的主流方案。然而在产业化进程中，安全隐患如同达摩克利斯之剑高悬——2025年华北电力大学团队在《Nature Communications》发表的突破性研究揭示，工业级电解槽竟暗藏局部爆燃风险。

研究团队从两起典型事故切入：100kW工业电解堆与2kW实验室电解堆均出现膜电极组件(Membrane Electrode Assembly, MEA)熔穿现象（图1c-e）。令人警觉的是，这些设备在事故发生前均持续正常运行数十天，暗示存在渐进式恶化机制。通过解剖分析，团队发现阳极流道被密封框堵塞是元凶，这种看似微小的结构缺陷竟能引发连锁灾难。

为复现事故过程，团队设计具有独立水控功能的4单元电解堆。当人为降低特定单元进水流量时，目标单元电压骤增至23.3V后发生短路，相邻MEA出现与事故现场一致的烧蚀孔洞。这一控制实验证实水饥饿(Water Starvation)是爆燃的导火索。

关键技术方法

研究采用多尺度验证策略：通过分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟计算水合状态对质子扩散系数的影响；搭建原位高速摄像系统捕捉爆燃动态过程；利用X射线计算机断层扫描(X-ray Computed Tomography)解析MEA结构演变；结合光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器监测热机械应变；建立3D单通道模型模拟电化学-热耦合行为。

水饥饿诱发的电化学行为与热演化

通过设定化学计量比ξ（实际进水量与理论需水量比值），团队在单电解器上捕捉到典型的四阶段演化过程（图2）。当ξ=2时，电解器在流量降低后仅维持7秒正常运行，随即电压飙升至10V保护值，电流降至20-30A波动，最终发生短路。值得注意的是，MEA温度通过焦耳热(Joule Heating)持续上升至140°C，远超水沸点。

原位捕捉爆燃过程

透明石英背板与高速摄像的组合首次记录到阳极侧爆燃细节（图3）。火焰从流场左上角启燃，以数米/秒速度沿蛇形通道蔓延，钛肋条出现炽红现象。局部温度瞬超1700°C（超越钛熔点1668°C），证实氢氧混合气体被铱铂催化剂引燃。

质子传导率剧降机制

MD模拟显示，水合数λ从22降至2时，H₃O⁺扩散系数降低两个数量级（图4a-e）。实验测量证实，相对湿度10%时PEM电导率较饱和状态下降84倍（图4f）。数值模拟再现了异常工况：当σ降低百倍时，0.92A/cm²电流密度需10V电压驱动，与实测数据高度吻合。

膜穿孔形成路径

X射线CT显示PEM变薄始于肋条对应区域（图5）。当ξ=2持续作用，膜结构完全破坏形成200μm穿孔。热机械分析(Thermomechanical Analysis, TMA)表明，150°C时PEM由玻璃态转为橡胶态，5MPa压力下70分钟内探针穿透35μm。这种热软化和机械应力的耦合效应最终导致氢氧直接混合。

安全预防体系构建

团队提出三重防护策略（图6）：采用桥式内流道设计避免密封框膨胀阻塞；开发复合增强膜（如聚醚醚酮PEEK增强）提升机械强度；建立细胞电压监测(Cell Voltage Monitoring, CVM)、臭氧(O₃)和氟离子(F^-)检测等多参数预警系统。在5kW压差堆测试中，CVM成功捕获单细胞电压异常（2.56V@1.5A/cm²），及时避免灾难发生。

结论与展望

本研究首次完整揭示PEM水电解槽"水饥饿-传导率下降-焦耳热-膜软化-氢氧混合-爆燃"的链式反应机制，突破传统认知中燃料电池与电解槽的安全特性类比。Tan Aidong等人建立的ξ≥22安全操作阈值、复合膜强化方案及多参数监控体系，为兆瓦级电解厂安全设计提供关键技术支撑。该成果不仅填补了电解水安全理论空白，更推动绿氢产业从实验室走向工业化应用的稳健跨越。