热路径效应对质子交换膜（PEM）水电解器瞬态响应和性能的影响

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Thermal pathway effects on transient response and performance of a PEM water electrolyzer

　　

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  水浴和端板的热输入是独立控制的。
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  在相似的端板温度下比较了不同的加热模式。
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  流速对不同加热模式和电压下的极化过程有影响。
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  端板的热供应提高了在高负载下的响应稳定性。

引言

由于氢气具有较高的比能量密度且使用时不产生二氧化碳[1]、[2]，它被广泛认为是清洁能源转型中的关键能源载体。在现有的水电解技术中，质子交换膜水电解器（PEMWE）已成为绿色氢气生产的主要候选者，相比固体氧化物电解器（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）水电解器具有多项优势[3]、[4]。这些优势包括高能量转换效率、耐高电流密度以及宽工作范围。然而，包括电源波动和负载变化在内的动态运行条件会对电解器产生复杂的瞬态干扰[5]。这些干扰会破坏电池内的热力学平衡，导致内部温度场和气液两相传输的波动，从而影响系统的稳定运行[6]。

PEMWE的热管理策略主要依赖于通过循环流体进行对流热传递来维持工作温度[7]、[8]。尽管在稳态运行期间广泛使用流体热交换，但在动态条件下，由于流体回路的热惯性和循环相关的传输延迟，这种单一的热传递途径可能会受到限制[9]。因此，仅靠流体对流可能不足以缓解高频电源波动、流体动力脉动或在高电流密度下局部热积聚引起的瞬态热干扰。热缓冲不足可能会导致膜电极组件（MEA）界面不稳定，产生温度梯度 and 瞬态超调，从而威胁膜材的完整性[10]。相比之下，具有较大热容量的金属端板可以起到热缓冲的作用[11]。先前的研究已经发现了电解器内部存在的显著温度变化[12]。然而，大多数热管理策略仅关注稳态条件下的宏观控制变量，对局部高频热干扰的了解有限。另一个局限性是缺乏两种不同热传递途径（即通过端板的固相传导和流体相的对流）之间的物理分离。未能区分这些途径会阻碍对局部热分布的解释[13]，并限制了在波动电源输入和不同热边界条件下的输出稳定性评估[14]。此外，固相传导热输入在维持三维温度均匀性和抑制动态超调方面的潜在作用尚未完全阐明[15]、[16]、[17]。

先前的研究表明，提高流速可以将通道流动模式从宏观的塞流转变为细分散的气泡流，从而增加水电极的界面面积并提高电池性能[18]、[19]、[20]。尽管这些可能有利于质量传输，但流速对电池整体性能的影响仍然复杂，实验结果也存在分歧。M?ckl等人[17]指出，将受限的水流速度与高电流密度结合使用会促进流道内的热量积聚并降低欧姆电阻。其他研究则认为水流速度对极化曲线的影响可以忽略不计，甚至可能损害电性能[21]。例如，Liu等人[14]报告称，将水流速度从32 mL/min增加到223 mL/min可以提高热去除效率并降低堆栈温度，在电流超过15 A时观察到更高的电压。他们的结果表明，在所研究的条件下，增加水流速度的热效应可能超过其对质量传输的潜在好处。Wang等人[22]利用耦合的热电数值模型表明，在0.2 A/cm²的低电流密度下，流速变化会导致温度上升；而在1.2 A/cm²的高电流密度下，同样的流速调节则会产生相反的趋势，因为内部焦耳热生成显著增加[23]、[24]。因此，水流速度对PEMWE性能的影响需要进一步 clarify。

尽管最近取得了进展，但现有的PEMWE研究仍存在三个重要局限性。首先，目前的热管理策略主要集中在稳态优化上，常常忽略了在负载变化时的瞬态热不匹配问题。快速的负载变化会破坏热生成与散热之间的平衡，可能导致电压超调和局部热点，加速膜材的降解。其次，以往的研究很少将流体对流热传递与通过端板的固相传导分开考虑。由于这两种热输入途径的热响应不同，它们对动态超调的各自影响尚未得到充分理解。最后，水流速度的影响通常仅被视为质量传输问题，尽管流动也会改变对流热去除效果。因此，热调节和传输的耦合效应需要进一步的实验验证，尤其是在高电流密度和受限流速条件下。

为了解决这些挑战，本研究通过监测关键变量（包括温度、电压和电流）来研究PEMWE在动态运行下的性能演变。使用具有独立控制热源的极化测试平台，分析了不同热输入途径和运行变量对稳态电化学性能和瞬态响应特性的影响。所得数据为热管理设计和在波动电源输入下安全运行PEMWE提供了实验基础。

本文的其余部分安排如下。第2节描述了实验设置，包括单电池材料配置、非对称加热平台以及稳态和动态测试的边界条件。第3节分析了运行参数和加热模式对系统稳定性的影响，并讨论了与性能反转相关的瞬态响应特性和机制。最后，第4节总结了主要结论并指出了未来研究的方向。

章节摘录

PEMWE材料

图1展示了PEMWE内部组件的装配情况。使用八个紧固螺栓来集成主要组件，包括单电池组件和两个SUS316不锈钢端板。在组装电池过程中，通过施加的螺栓扭矩来控制压缩。这八个螺栓依次按照逐步的扭矩加载程序拧紧。所有螺栓首先被拧紧至3 N m，然后依次拧紧至4 N m，最后拧紧至5 N m。

运行参数对PEMWE性能的影响

在本节中，评估了在水浴加热、端板加热和联合加热条件下，运行温度和进水流量对PEMWE稳态极化行为的影响。第3.1.1节讨论了温度对反应动力学和欧姆电阻变化的影响，而第3.1.2节探讨了进水流量对对流冷却和传输行为的影响。

结论

本研究评估了在 water bath 加热、端板加热和联合加热条件下，25 cm² PEMWE单电池的稳态极化性能和动态响应。结果代表了系统对不同外部加热配置的响应，而不是在相同MEA温度下的等温比较。

1. 将目标阳极端板温度设置从55°C提高到75°C可以在所有三种加热配置下增加电流密度。在2.05 V时，

CRediT作者贡献声明

戴宇生：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、形式分析、数据整理。杨子龙：撰写——审阅与编辑。余柏明：撰写——审阅与编辑。李一鹏：撰写——审阅与编辑。刘伟群：研究。李洪坤：撰写——审阅与编辑。朱桥：监督、概念构思。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT进行英语翻译和语言润色。使用该工具后，作者根据需要对手稿内容进行了审阅和编辑。作者对已发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了成都科技计划（2026-YF08-00327-GX）的支持。

戴宇生|杨子龙|余柏明|李一鹏|刘伟群|李洪坤|朱桥