一、研究背景：PEM电解水的「寿命之困」
质子交换膜电解水（PEMWE）因动态响应快、电流密度高（可达 3 A·cm⁻²），成为承接风电、光伏波动制氢的主流路线。然而膜电极（MEA）成本高、动态工况下寿命不确定，仍是制约其工程化应用的关键瓶颈。以往耐久性研究多聚焦铱溶解、膜化学降解与钛部件腐蚀，催化层中的离聚物（ionomer）长期被当作「相对稳定的添加相」。
厦门大学陶华冰课题组指出，阳极催化层（ACL）里的 PFSA 离聚物同时承担两项基础职责：一是建立质子传导网络，二是作为粘接相维持颗粒连接以及催化层与膜、传输层之间的机械完整性。在 80℃、液态水浸润、3 A·cm⁻² 强析氧环境下，它会经历溶胀、蠕变、迁移与浸出——悄然瓦解催化层结构稳定性。
二、实验设计：从单电池到千瓦级系统
研究团队构建了多尺度验证体系：先以标准电解槽与无离子交换树脂柱的 WIEC 系统对照，再引入千瓦级 PEM 水电解制氢系统，实现从材料机理研究到工程化应用场景的关联分析。
- 🔬 对照设计：标准系统 vs WIEC（无树脂柱）系统，量化离聚物流失对整体衰减的贡献。
- 🧪 在线诊断：AFM 粘附成像 + 循环阳极水 FTIR，直接捕捉离聚物迁出催化层的证据。
- ⚙️ 工程放大：千瓦级系统酸浸取样，追踪不锈钢部件因酸性 PFSA 加速溶出的金属「指纹」。
三、关键数据：离聚物流失如何放大衰减
在 400 小时测试中，WIEC 系统衰减速率比标准系统高出 86%，高频电阻增加 3.1 mΩ·cm²、传质电阻增加 2.7 mΩ·cm²；AFM 显示老化 MEA 表面离聚物覆盖明显减少，循环水 FTIR 检出 PFSA 特征信号，证实离聚物确已迁入水路。
| 运行 / 测试条件 | 核心表现 | 电压衰减速率 | 相对稳态 |
|---|---|---|---|
| 标准稳态（3 A·cm⁻²） | 700h 电压增量 73.3 mV；Rmt 7.5 mΩ·cm² | 85.8 µV/h | 基准 |
| WIEC（无树脂柱） | 400h 衰减速率高出 86%；HFR +3.1、Rmt +2.7 mΩ·cm² | 显著高于标准 | +86% |
| 启停循环 | 700h 电压增量 106.6 mV；Rmt 32.4 mΩ·cm²（4.32×） | 136.5 µV/h | +59.1% |
| 主动补加 PFSA | 200h 起额外约 20 mV 损失 | +172.3% | 显著放大 |
尤为值得关注的是启停工况：700 小时后累计离聚物流失接近稳态的 1.5 倍，电压增量与传质电阻均显著恶化——说明「多经历几次电压变化」会耦合化学腐蚀与机械损伤，加速催化层崩塌。
四、机理链条：从粘结失效到系统级中毒
研究勾勒出清晰的失效因果链：离聚物迁移流失 → 催化层粘结减弱、出现裂纹 → 酸性流失物加速 Ir、Ti 等金属溶出 → 阳离子进入 MEA 造成中毒、传质受阻。团队在 200h 向阳极循环水加入少量 PFSA 模拟累积流失，电解槽出现约 20 mV 额外损失，衰减速率相对空白组上升 172.3%。
随后以 1M HNO₃ 阴极循环并施加阶梯电流驱出金属阳离子，再生后性能大体恢复；酸液中检出的 Ir、Ti 分别约为空白组的 3 倍与 2 倍——有力证实了「流失物回毒」假说。在千瓦级系统中，400h 酸浸还检出 Fe、Zn、Ni、Mn、Cr，其中 Fe 达 0.0823 ppm·cm⁻²，成为系统级污染的清晰指纹。
研究团队总结：「离聚物迁移可能是 PEM 电解槽长期衰减的重要起点。耐久性评价需要从『结果监测』转向『失效诊断』，未来 MEA 设计需综合优化催化层结构、离聚物固定方式、气液传输路径与 BOP 系统材料兼容性。」
五、对氢能测试设备的启示
该研究把 PEM 电解槽寿命评价从「看电压掉多少」推进到「追衰减源头」，对电解水制氢测试装备提出更精细的要求，也让 PEM电解水测试台 的价值进一步凸显。
- ⚙️ 失效溯源能力：PEM电解水测试台 需集成循环水在线 FTIR / ICP 与 MEA 表面粘附成像接口，支撑离聚物迁移与金属污染的定量化诊断。
- 🧪 动态工况模拟：启停循环衰减比稳态高 59.1%，要求 电解水制氢测试 具备光伏波动、矩形波、三角波等多维应力工况复现能力。
- 🔧 夹具与耗材配套：膜电极测试夹具 与 电解槽测试夹具 须耐受安培级大电流与频繁启停，并提供阴阳极独立电位与界面间隙监测。
- 📊 系统级联评：失效沿水路向管路、泵阀扩散，提示 氢能测试设备 需覆盖 BOP 金属溶出监控，实现万小时级寿命评估。
合肥博格达氢能科技有限公司自主研发的 PEM电解水测试台 支持宽电流密度扫描、EIS 在线阻抗与长周期稳定性自动测试；电解槽测试夹具 与 膜电极测试夹具 覆盖阴阳极独立供料、差压控制与界面表征接口，可助力高校与企业在低铱、高寿命 PEM 电解槽方向上开展失效诊断与寿命验证。
（本文基于公开科研进展整理。）
