高温高压碱性水电解中三维泡沫电极的性能优化与降解机制研究

为解决传统碱性水电解(AWE)在高温高压条件下效率低、降解快的问题，研究人员设计了一种新型高温加压电解测试装置，采用Raney Ni/NiMn涂层三维泡沫电极与Zirfon?隔膜，在130°C和16 bar条件下实现1.67 A/cm2的高电流密度，电压仅2.29 V，但70小时测试显示9.26 μV/h的降解率。该研究为工业级高温高压电解槽开发提供了关键数据。

　　

随着全球能源结构转型，氢能作为清洁能源载体成为研究热点。传统碱性水电解(AWE)技术虽成熟，但存在电流密度低(0.2-0.8 A/cm²)、工作温度局限(70-90°C)等瓶颈。高温高压操作虽能提升电解质导电性和反应动力学，却加速材料腐蚀和性能衰减。更棘手的是，三维(3D)电极在高温高压下的气泡管理和长期稳定性仍是未解难题。

为突破这些限制，某研究团队构建了全球首个电极面积达360 cm²的高温加压电解测试系统。通过对比镍泡沫(Raney Ni/NiMn)与扩展镍网(NiO)电极在130°C、16 bar下的表现，发现扩展镍网阳极在2.7 L/min电解液流速下性能最优，1.67 A/cm²时电压仅2.29 V，较泡沫电极降低50 mV。温度升至130°C使电流密度翻倍，但70小时测试暴露9.26 μV/h的降解率，提示3D电极的耐久性仍需改进。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为下一代工业电解槽设计提供了关键参数。

研究采用三大关键技术：1）自主设计的高压测试平台（含SS 316L端板、ZrO₂/PSF复合隔膜）；2）机械穿孔法制备的3D镍泡沫电极（避免微观结构损伤）；3）多参数联调系统（温度±1°C、压力±0.3 bar精准控制）。

【电解质流速与电极结构】
对比1.8与2.7 L/min流速发现：扩展镍网阳极在高速流下性能提升1.73%（1 A/cm²时电压降至1.97 V），而泡沫电极因气泡滞留效应改善有限。这揭示3D电极需优化内部流道设计。

【压力影响】
4.5-16 bar压力测试显示：低压(4.5 bar)下气泡半径增大导致0.85 A/cm²时电压比高压(16 bar)高90 mV，证实高压可缩小气泡尺寸、提升催化剂利用率。

【温度突破】
60°C升至130°C使两种隔膜(A/B)的电流密度均翻倍。Zirfon? UTP 500表现更优，1.80 V下达0.6 A/cm²，归因于温度提升电解质电导率和膜反应活性。

【超负荷测试】
600 A(1.67 A/cm²)极端条件下，扩展镍网/NiO组合创2.29 V纪录，比文献报道的Ni网体系低50 mV，凸显其在工业级高密度产氢中的潜力。

【耐久性挑战】
70小时连续运行(110°C/11 bar)显示：初始13小时老化后仍以9.26 μV/h速率衰减，虽优于Wendt团队的180 μV/h初期值，但距工业要求的2-3 μV/h仍有差距。

该研究首次系统评估了3D电极在模拟工业环境下的综合性能，揭示三大启示：1）扩展镍网在高压下的气泡管理优势；2）温度超过110°C可使效率倍增；3）电极-隔膜界面腐蚀是降解主因。未来需重点攻关3D电极的孔隙定向调控技术和抗高温腐蚀涂层，这对实现《巴黎协定》氢能目标具有战略意义。