三、在槽體和系統層面上的性能
PEM電解質通常在50-80°C下工作，因為膜在超過80°C的溫度下會失去結構穩定性。然而，在較低的溫度下，固體電解質保持較高的機械穩定性，從而能夠在電解質上具有相同或者壓差的情況下進行高壓操作（>30 bar）。因此，氫氣可以在高壓下輸送，無需進一步壓縮增壓。在壓差操作下，只有陰極側通常處于壓力下。與堿性水電解相比，PEM水電解可以在更高的電流密度下工作，能夠達到超過2A/cm2[3]的值。下圖顯示了基于厚度在30至200μm之間的PFSA膜的PEM電解槽單電池的預期性能范圍：
除了單個電池的電流和電壓性能外，從陰極到陽極的氫量以及產生的氫是PEM電解中考慮的一個重要因素。氫氧氣交叉既會降低電池的整體效率，也會由于可能形成可燃或爆炸性氣體成分而導致的安全問題，對操作條件會造成可能的限制。氧氣中的氫含量應保持在2%以下，主要是膜厚度、氣體壓力和電流密度之間的折衷，并在一定程度上取決于溫度。在給定的電池電壓下（上圖中藍色區域的下部），較薄的膜允許更高的電流密度，但存在與氣體交叉相關的挑戰。
對于商用質子交換膜電解堆，額定效率和比能耗在60%-68%LHV和4.4-5.5 kWh/Nm3的范圍內，而PEM電解系統的額定效率和比能耗在46%–60%LHV和5.0–6.5 kWh/Nm3的范圍內，包括公用設施的輔助負荷和損耗（約0.4–0.8 kW h/Nm3）。一般來說，PEM電解槽目前的效率略低于堿性電解槽，這是因為在更高的電流密度和更低的溫度下運行，而且PEM系統的尺寸更小，導致寄生損耗通常更高。隨著質子交換膜電解槽成本的降低和系統尺寸的增加，這種效率差距有望縮小。
四、降解機理以及壽命
質子交換膜電解槽的正常預期壽命約為20年。在此期間，預計會定期維護和更換零件，但主要的成本驅動元件，如PEM電解槽組，預計在不進行任何更換或大修的情況下，其運行壽命將超過50000小時。其壽命主要取決于以下兩點：
B.氫氣的純度足以滿足預期用途，且氫氣中的氧氣含量凈化前的氫氣不超過安全限值。
電解槽可能會因突發事件或不可預見事件而觸犯其中一個或兩個條件，或通過可預測和逐步衰減降低性能，從而達到上述壽命限制。
PEM電解槽電堆的壽命終止標準沒有詳細定義，根據業主每生產單位氫氣的可接受能量使用的限制，以及電解槽其他部分導致電堆性能降低的任何限制，電堆的壽命終止標準將隨使用情況和生產商之間的不同而變化（例如，電源的最大額定值）。
一般來說，制氫能耗的可接受增長大約是在運行90,000小時內增加20%。這樣電解槽的壽命約為10年，這將使電解槽的平均使用壽命比額定使用壽命多10%。
本文討論了PEM電解槽的降解機理，并對其主要發現進行了總結如下：
1.雙極板和集流器
鈦具有優異的強度，低電阻率和氣體滲透性，但它也容易氧化，在表面形成一個低電導率的氧化層，隨著時間的推移而增長，增加了電池的接觸電阻。這個問題通常可以通過在鈦上涂上鉑或Au涂層來緩解。在氫氣存在的情況下，可以形成氫化物(TiH2)，也會增加阻力，在最壞的情況下會導致脆化和在應力作用下開裂的風險。Rakousky等人觀察到PEM電解電池的整體電阻顯著增加，并將這種增加的大部分歸因于Ti材BPP和PTL之間的接觸電阻的增加。他們測量了Ti-PTL的接觸電阻，發現它從測試開始時的49米歐姆每cm2增加到測試結束時的238米歐姆平方cm2。由于非原位試驗的實驗條件與原位情況有顯著差異，作者還用鉑涂層Ti-PTL進行了比較原位試驗。使用pt涂層的Ti-PTL，電池電壓明顯比沒有涂層的更穩定，與未涂層的Ti-PTL相比，在54mV的380小時內僅增加了4mV。因此，涂有鉑涂層的鈦材降解率降低了89%。由于陽極的高電位和低pH環境，鈦是少數可用的材料之一。
2.催化劑和電極失效機理
陽極和陰極催化劑上的降解現象存在顯著差異。陽極催化劑必須能夠承受非常惡劣的操作條件：高電位（>1.5 V vs RHE）和低pH值，高壓下存在氧氣，由于氧氣氣泡形成的機械應力，以及催化劑層多孔結構中的潛在氣穴，還有高電流密度或產生的氧和氫在膜上的復合而產生的局部熱點。
陰極催化劑的腐蝕性較低，電位較低（<0 V vs RHE），但必須面對OH-自由基和H2O2的形成，這是由于氧從陰極穿過膜的電化學還原，和催化劑層中析氫而產生的機械應力。陰極催化劑對水中的有機污染物或金屬離子雜質也很敏感，在操作過程中，這些雜質可能會沉積在催化劑表面，降低析氫活性。
3、電解質失效機理
所使用的聚合物電解質膜與PEM燃料電池中所使用的膜基本相同，但由于操作條件的不同，降解機理有所不同。一般來說，膜的降解可以分為三類：化學/電化學、機械或熱降解。
化學降解主要是由于強氧化劑如過氧化氫（過氧化氫）和自由基中間體如過氧化氫(HO2)和羥基(HO)的存在，這些中間體是通過陽極交叉氧還原在陰極上產生的。這些氧化物質攻擊離聚物的主鏈，導致鏈的斷裂、解壓縮、官能團的喪失和膜的變薄。
這種化學降解可以通過直接使用氟化物敏感電極或通過水電導率測量間接測量電池出水中氟化物的排放率（通常稱為氟化物釋放率（FRR））來監測。FFouda Onana等人使用FCH-JU資助的新項目中開發的AST協議研究了PEM水電解槽的降解，發現在80°C時FRR比60°C高五倍，在中等電流密度（0.2至0.4 A/cm2）時FRR最高。
與金屬離子中毒的膜也會顯著影響膜的性能。這些離子是通過對電解槽和BOP的金屬部件腐蝕而產生的，只有微量的離子可以通過從膜的離子交換位置取代質子來不斷地降低電解質的電導率。
當膜被過渡金屬陽離子污染時，它們能促進過氧化氫的化學分解并產生自由基，加速膜變薄，鐵和銅離子大幅增加膜降解，而鈷和鉻離子似乎不起重要作用。
機械降解通常是PEM電解槽早期和/或急性故障的原因。通過壓力或濕度循環產生的機械應力，或通過施加在電池特定區域上的施加的壓縮外力，或因異物/顆粒或制造錯誤而集中在局部區域的力，都可能導致穿孔、撕裂或裂紋。
五、系統和操作經驗
系統停機主要是由于電能質量差或缺乏維護。大多數電解槽需要三相480 V輸入電源。如果相位經常下降，經常出現功率驟降或浪涌，或者如果功率輸入通常過于嘈雜，則可能對電力電子設備有害。高頻電噪聲還可能在堆中引起異常的場效應，從而導致催化劑降解。所有這些問題通常都可以通過系統上游的功率調節來解決。
在其他方面，BOP類似于發動機或設備，同樣需要維修手冊和套件中定義的日常維護。需要定期更換過濾器和介質，如干燥劑或去離子樹脂，以保持系統最佳運行。電解液，甚至去離子水，具有不同程度的腐蝕性，最終會降解建筑材料。其他部件（如塑料、泵和閥門）的更換頻率較低，但也需要定期進行以防止意外停機。
六、系統配置和設計
除了太空制氧等高度專業化的應用外，大多數質子交換膜系統設計用于向電池的陽極側供水，通常以高過量化學計量比供水，也用作電池的冷卻劑。一些系統還向電池的氫側提供雙給水，如果氫是在接近環境壓力的情況下產生的，則更為典型。對于典型的30巴系統，系統相對簡單，如下框圖所示。
當水在陽極和水箱中循環時，產生的氧氣可能會從水箱中逸出。生成的氫還含有質子的水，這些質子將額外的水分子拖過膜。需要在相分離器中去除液態水，同時通過干燥去除水蒸氣。系統內還有各種安全保護裝置，包括防止過壓的安全閥，以及可燃氣體傳感器，用于在氫氣泄漏時關閉電源輸入。根據電解槽的規模，該系統可包裝成箱/柜或容器，也可建造在建筑物內。在任何配置中，都需要足夠的通風以保持安全運行，并且流體部件與電氣部件分開。
原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：PEM電解系統的效能以及失效模式
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