日前，由合肥綜合性國家科學中心能源院（安徽能源實驗室）與合肥中能大友能源技術有限公司共建的新能源先進測控技術聯合實驗室，經過2年時間系統設計和研發，推出了一套基于高精度制氫多場耦合控制的100kW級質子交換膜（PEM）電解水制氫測試設備。該臺架秉承“精準、安全、可溯、智能”的設計理念，旨在解決商業化大功率PEM電解槽測試中面臨的電流密度、溫度、壓力耦合性強、動態響應要求高、以及安全性難以保障等核心挑戰。

圖1：100kW級PEM電解槽制氫多場耦合測試設備實物圖

項目理念

圖2：設備穩定性實測數據統計圖

圍繞“雙碳”目標，綠氫是深度脫碳的核心載體。PEM電解水技術因其效率高、響應快、負荷范圍寬等優點，是適配波動性可再生能源（如風電、光伏）的理想制氫路徑。該技術從實驗室-scale（kW級）走向產業化-scale（MW級）過程中，電解槽的耐久性和成本仍是瓶頸。其性能衰減與材料在諸如高電流密度、高壓、高溫、頻繁啟停實際復雜工況下的失效機制密切相關。因此，研發一個能夠精準模擬產業化使用環境、同時具備實驗室級分析精度的橋接式測試平臺，對于材料篩選、結構優化和壽命預測至關重要。

該設備核心價值還在于，在滿足相關標準和設計規范的基礎上，超越了傳統性能測試功能。其設計目標不僅是驗證電解槽的性能指標，更是成為了一個“材料工況行為解析器”，能夠精確控制實驗邊界條件，從而清晰地建立宏觀性能輸出與微觀材料演化之間的因果關系，提供高質量、高保真的失效分析數據。該套設備集成了高精度流體控制、多場協同控制策略和多級安全聯鎖與數字化監控系統，其最高實驗壓力可以達到10MPa。通過高精度溫度梯度控制（±0.5°C）、去離子水水質在線監測與反饋（≤0.1 μS/cm）、壓力（背壓控制精度<±0.5%F.S.）、及電化學參數（電壓采集精度≤2mV）的極致控制，以及毫秒級快速啟停邏輯，實現了對電解槽內部反應界面（三相界面）狀態的精準模擬與調控，為研究PEM電解槽及其催化層、質子交換膜、多孔傳輸層等關鍵材料在擬工業化工況下的性能衰減機理提供了一個可靠的研發與驗證平臺。

技術背景

圖3：背壓控制結構示意圖（Introduction to Equilibar BPRS Technology）

1.測試臺架系統設計與工程實現

1.1 整體架構與設計理念

該設備采用模塊化設計，核心包括：(i) 循環加熱與供給單元；(ii) 氮氣吹掃單元；(iii) 氫側管理單元；(iv) 氧側管理單元；(v) 外置純化單元；(vi) 電源與數據采集單元。

1.2 核心子系統創新設計與材料學意義

1.2.1 高精度熱管理與水質控制單元

設計: 系統采用多級溫度控制策略。主循環罐配備大功率加熱器（升溫速率≥3.5℃/min），由PID算法實現RT+5°C-90°C范圍內±1°C的控制精度。關鍵測點（如電解槽進出口）采用A級精度熱電偶進行監控。

水質管控：采用“過濾器 + 去離子器”組合，確保進入電解槽的水質電阻率≥10 MΩ·cm，并由在線電導率裝置實時監測。

材料關聯：精準的溫度控制極大抑制了因熱循環導致的膜電極組件（MEA）各層材料間熱機械應力失效。超純水則徹底避免了Ca2?/Mg2?等離子對Nafion?膜磺酸基團的毒化，以及Cl?等陰離子對催化劑活性位的占據與腐蝕，確保了觀測到的性能衰減源于材料本征退化而非外部污染。

1.2.2 氫/氧側氣液分離與背壓控制單元

設計：主機配備高效氣液分離罐，并分別采用高精度氣動背壓閥進行獨立壓力控制。背壓壓力控制范圍0.5-10MPa，精度<±0.5%F.S.；

材料關聯：獨立、精準的背壓控制是研究機械衰減的關鍵。它能模擬從常壓到商業化高壓系統的運行環境，用于研究高壓差對PTL孔結構、催化層附著性以及氣體交叉滲透行為的影響，這些都是導致膜電極機械損傷和性能衰減的核心因素。

1.2.3 全方位安全聯鎖與樣本保護系統

設計：系統構建了多重安全防護：

參數監控：超過50個溫度、壓力及流量高精度傳感器，監測全流路狀態。

緊急響應：任何參數超限或發生氫泄漏，系統可觸發毫秒級（<50ms）緊急停機，同時自動切斷電源、關閉閥門并啟動氮氣吹掃。

材料關聯：此系統不僅是對人身安全進行防護，更是對珍貴測試樣本（電解槽）的全方位保護。它能防止因個別單槽反極（電壓>2.8V）或氣體交叉導致的不可逆 災難性失效（Catastrophic Failure），從而為測試結束后對MEA進行事后分析（Post-mortem Analysis）保留了完整的、可用于分析的樣本，這是進行失效機理研究的物質基礎。

1.2.4 高精度電性能監測與診斷單元

設計：450kW直流電源，具備CV/CC/CP模式，電流/電壓控制精度≤0.5%F.S.。集成了一套多通道電壓巡檢儀（CVM），單通道測量精度≤2mV。

材料關聯：通過CVM診斷電解槽核心材料的均勻性。通過實時監測每個單池的電壓，精準定位因催化劑涂布不均、膜厚不均或局部阻塞導致的性能薄弱點。電壓的微小波動和趨勢是催化劑降解、膜干涸或水淹等微觀過程的宏觀體現，為離線材料分析提供了明確指向。

2. PEM 100kW電解槽制氫多場耦合測試設備核心性能指標與材料研究價值

3. 臺架在材料研究中的應用范式

該設備的強大能力使其能夠執行多種高級測試協議，遠超簡單的性能驗證：

材料篩選與優化（Screening & Optimization）: 可在相同的、受控的苛刻工況下（如90°C, 3.0 MPa, 2.0 A/cm?），對比測試不同MEA（如不同Ir載量的催化劑、不同厚度的膜）的初始性能與衰減速率，為材料選擇提供直接、可靠的數據支撐。

加速應力測試（Accelerated Stress Test, AST）: 通過設計特定的動態工況（如頻繁啟停、負載循環、壓力循環），可以針對性加速某一特定失效機制（如催化層腐蝕、載體碳腐蝕、膜化學降解等），從而在較短的時間內獲得材料的壽命預測數據。

失效機理研究（Degradation Mechanism Study）: 通過消除水溫、水質、熱管理等外部變量的干擾，確保了性能衰減數據的高重復性與可歸因性，使研究人員可以確信性能變化源于測試樣本本身。在完成長時間耐久性測試后，對受到系統保護的電解槽進行拆解，利用SEM, TEM, XPS等表面分析技術對MEA進行Post-mortem分析。