质子交换膜电解槽性能优化：温度、扭矩与流速的多参数协同调控研究

本文针对质子交换膜(PEM)水电解槽运行效率提升需求，通过田口实验设计法系统研究了温度(40-80°C)、夹紧扭矩(5-10Nm)与水流速(10-30mL/min)三大关键参数的交互影响。研究发现温度通过增强反应动力学与膜电导率发挥主导作用(贡献率>50%)，而10Nm扭矩可优化电极-膜接触界面，配合三层钛网流场结构实现高效水气管理。实验获得80°C/10Nm/10mL/min最优组合，揭示了夹紧扭矩除机械密封外兼具调控电化学性能的新机制，为高活性PEM电解槽设计提供理论依据。

　　

在全球能源转型的浪潮中，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的关键载体。质子交换膜(PEM)水电解技术凭借响应迅速、氢气纯度高等优势，成为连接可再生能源与绿氢生产的重要桥梁。然而该技术仍面临多重挑战：贵金属催化剂推高成本、膜电极组件(MEA)界面接触电阻过大、两相流管理困难等问题制约着电解效率的提升。尤其当操作温度超过60°C时，膜脱水加速与机械失稳风险加剧，而传统研究往往孤立考察单一参数，缺乏对温度-机械-流体多场耦合机制的系统认知。

针对上述瓶颈，土耳其科技研究理事会支持的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新成果。该研究采用田口实验设计法（L₂₇正交阵列），首次将夹紧扭矩纳入电化学优化变量，结合创新性三层钛网流场结构（交叉网+纤维毡），在9 cm²活性面积的PEM电解槽上展开多参数协同优化。通过27组实验系统解析了温度(40/60/80°C)、夹紧扭矩(5/7/10 Nm)和去离子水流速(10/20/30 mL/min)对电流密度与产氢效率的交互影响，并借助极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)等表征手段揭示内在机制。

材料与方法
研究选用Ir Black阳极催化剂构建膜电极，创新采用三层钛基复合结构（交叉网/纤维毡/扩散层）作为阳极多孔传输层(PTL)。实验通过精密温控系统、扭矩扳手和蠕动泵实现参数精确调控，在2V恒定电压下记录电流密度，采用排水法计量氢气产量。数据分析采用田口信噪比(S/N)与方差分析(ANOVA)，重点考察参数主效应与交互作用。

结果与讨论
■ 温度的主导效应：80°C工况电流密度较40°C提升186%，ANOVA显示温度贡献率达52.7%。高温加速氧析出反应(OER)/氢析出反应(HER)动力学，同时增强Nafion膜质子传导性（离子电导率提升3倍）。但EIS揭示欧姆阻抗随温度升高持续下降，而80°C时电荷转移阻抗锐减，证实动力学改善是主因。
■ 扭矩的电化学意义：10Nm扭矩使电流密度较5Nm提升37%。压力敏感膜测试显示该扭矩下电极-膜界面接触电阻降低68%，但过度压缩（>10Nm）导致PTL孔隙率下降22%，阻碍质量传输。突破性发现扭矩不仅是密封参数，更是调控三相界面的关键电化学变量。
■ 流速的阈值特性：10mL/min低速工况性能最优，流速增至30mL/min时电流密度下降19%。微尺度观测表明低速利于维持膜充分水合，而高速流引发氧气泡屏蔽效应，阻碍水渗透至催化剂层。三层流场结构通过毛细作用优化水分布，在低流速下实现高效气液分离。
■ 多参数协同机制：最优组合(80°C/10Nm/10mL/min)产氢速率达4.31 NL/h，较基线提升211%。交互效应分析显示温度与扭矩存在强协同性（P<0.01），高温下高扭矩可缓解热膨胀导致的界面接触损失；而温度-流速组合需规避高温高速的膜脱水风险。

结论与展望
本研究通过田口法多目标优化，确立了温度对PEM电解性能的核心影响（贡献率>50%），首次赋予夹紧扭矩以电化学调控功能的新内涵，并揭示低流速配合三层流场可强化水管理。创新性三层钛网结构通过增强毛细力实现自调节水传输，突破传统流场在高电流密度下的气堵瓶颈。该成果不仅为80°C高温工况的稳定运行提供设计准则，更推动夹紧参数从"被动密封"到"主动电化学调控"的认知变革，对开发高功率密度电解系统具有工程指导意义。未来研究可结合人工智能进一步探索参数动态耦合机制，并验证该优化策略在千瓦级电堆中的适用性。