综述：推进质子交换膜水电解技术：降低制氢成本的前景展望

本综述系统剖析质子交换膜水电解（PEMWE）技术实现低成本制氢的路径，重点探讨其在动态响应（<1s）、高电流密度（>3 A cm-2）及高压输出（≥350 bar）方面的技术优势，并从材料创新（低铱催化剂、耐腐蚀多孔传输层等）、界面工程与组件集成三方面提出多级优化策略，为燃料电池汽车（FCEV）绿色氢能商业化提供关键支撑。

　　

Fundamental mechanisms

水分解电化学原理可追溯至1789年Van Troostwijk与Deiman利用静电发生器分解水的开创性实验。1966年通用电气开发了首个采用质子交换膜（PEM）的固体聚合物电解质系统，标志着技术重大突破。质子交换膜水电解（PEMWE）通过膜电极组件（MEA）实现高效能量转换，其核心反应为阳极析氧反应（OER）与阴极析氢反应（HER），在质子传导膜（如全氟磺酸膜）的介导下完成水分子解离与气体分离。

Challenges for PEMWE

PEMWE大规模应用面临成本-活性权衡与耐久性限制双重挑战。贵金属催化剂（铂阴极、铱阳极）、全氟磺酸膜（PFSA）及钛基双极板/多孔传输层（PTL）的镀层需求，导致电解槽成本（约2000元/千瓦）达到碱性电解槽（AWE）的三倍。严苛运行条件（工作电压1.6-2.2 V、强酸性环境pH 2-4、温度60-90°C、氧气饱和）加剧材料降解，包括催化剂溶解、膜钝化与组件腐蚀。动态运行参数（温度、压力、功率循环）进一步加速性能衰减，制约系统寿命。

Optimization Approaches for PEM Electrolyzers

降低PEMWE成本需融合化学、材料科学、流体力学与系统集成等多学科认知。典型电解槽由端板、双极板（BP）和膜电极（MEA）构成，其中MEA包含多孔传输层（PTL）、催化剂层（CL）与质子交换膜（PEM），是反应核心区域。材料创新聚焦低铱催化剂开发与非贵金属替代方案，界面工程通过增强三相边界抑制催化剂隔离，组件集成采用一体化电极组装与人工智能驱动的配置优化。技术经济预测显示，规模生产与效率提升可降低50-60%成本，2030年前有望实现<2.5美元/公斤氢气的目标。

Summary

燃料电池汽车（FCEV）等氢能下游产业对PEMWE在动态响应速度、氢气纯度（≥99.99%）、产氢压力及纯净电解质方面的潜力寄予厚望，但高成本仍是商业化瓶颈。本综述从材料、界面接触、组件设计与整体性能角度系统总结成本优化策略（图12）。通过人工智能驱动的组件配置参数与系统控制策略优化，可加速实现燃料电池汽车的低成本氢能供给。

Prospects

PEMWE技术进展将显著降低燃料电池重型卡车（FCEV-HDT）的氢燃料成本。铱作为铂矿副产品，全球年产量仅5-10吨，短期成本难有显著下降。未来需通过催化剂原子利用率提升、非贵金属材料开发及系统集成创新突破资源限制。直接海水电解技术、人工智能优化控制策略与分布式可再生能源耦合，将共同推动氢能成本降至经济性临界点（4.2美元/公斤以下），助力交通领域碳中和目标实现。