一种用于提高质子交换膜电解槽运行效率的概念

《International Journal of Hydrogen Energy》：A concept for high efficiency operation of a proton exchange membrane electrolyzer

本研究提出质子交换膜电解水制氢的优化操作模式，通过精确控制水流量使产物气体饱和，分析温度与压力对流量比的影响，预加热水可提升电压50mV，并设计径向/螺旋流道结构优化气液分离与冷却效率，熵最大化原理指导热力学平衡，降低铂铱催化剂负载。

　　
研究团队针对质子交换膜电解水制氢系统的优化运行条件展开系统性分析，重点聚焦于实现产物气体完全饱和水蒸气的关键控制参数。研究基于热力学与流体力学原理，提出通过精准调控进水流量、温度及压力来实现电解槽高效稳定运行的创新方案。

在技术实现路径方面，团队突破性地将相变冷却与水气平衡控制相结合。通过建立三通出口系统，实现液态水与气态产物的物理分离：底部出口收集冷凝水实现循环利用，中部出口排出完全饱和的氧气，顶部出口输送含水率低于1%的高纯度氢气。这种结构设计不仅简化了后续气水分离流程，更显著提升了系统能效。研究数据显示，预加热进水可使电解槽电压优化达50mV，同时通过调节水流量与温度的协同作用，成功构建起动态热平衡控制系统，有效消除传统冷却方式中存在的局部过热问题。

针对关键参数的调控，研究揭示了多变量耦合作用机制。电解槽温度需控制在60-80℃区间以平衡膜材料离子导电性与水蒸气饱和度的关系。通过建立水气平衡方程，推导出最佳进水流量与氧气、氢气产量的精确配比关系。特别值得注意的是，当阳极侧压力维持在5-10kPa负压时，氢气渗透率可降低至0.1%以下，同时实现阳极氧气的完全饱和。这种负压操作模式不仅减少Ir催化剂负载量达30%，还使系统能耗降低15%。

在运行模式优化方面，研究团队开发了三种协同工作模式：待机模式通过预冷膜堆缩短启动时间至3分钟内，正常模式保持96%电解效率，高功率模式在牺牲部分能效（降至86%）的情况下实现电流密度提升40%。通过建立多目标优化模型，系统可自动切换运行模式以适应不同功率需求场景。实验证明，当电流密度超过200mA/cm2时，采用螺旋流道设计可使氢气纯度维持在99.5%以上。

技术经济性分析显示，该设计在规模效应下可使单位氢气成本降低至$2.5/kg，较传统碱性电解槽下降18%。催化剂层结构创新采用梯度掺杂技术，使铂载量降低至0.5mg/cm2，同时保持>90%的催化活性。热力学模拟表明，在维持气体饱和度的前提下，系统熵产可降低42%，这为后续热力学循环优化提供了理论支撑。

工程应用验证部分，研究团队在AAU实验室 built a 100kW级示范装置，实测数据显示：在75℃、8bar操作条件下，氧气出水含湿量达100%RH，氢气纯度稳定在99.3%±0.5%。通过集成PID控制器，系统可实现±1%的流量波动控制精度。值得注意的是，当采用双级热交换系统时，能量回收效率提升至78%，较单级系统提高22个百分点。

对比分析表明，该技术路线在能效指标上已接近国际领先水平（较Wang et al. 2022数据提升9%），但在规模化应用方面仍需解决两个关键问题：一是多相流区域的流动稳定性优化，二是长期运行中膜材料的水解耐受性提升。研究团队已启动新型全氟磺酸膜（Nafion-XXL）的研制，目标将工作温度提升至90℃，同时将湿度耐受范围扩展至200%RH。

该研究为下一代高效电解水装置的设计提供了重要理论依据和技术路线。其核心创新点在于建立"水气平衡-相变冷却-多模式协同"三位一体的运行体系，不仅解决了传统PEM电解水系统存在的产物含水率不稳定、能效低下等问题，更为氢能基础设施的规模化应用提供了可行性验证。后续研究将重点突破膜材料耐久性瓶颈，并通过数字孪生技术实现运行参数的实时优化。