質(zhì)子交換膜電解水(PEMEC)技術(shù)因其高電流密度、快速響應(yīng)和高純度氫氣產(chǎn)出，被視為綠氫制備的關(guān)鍵路徑。然而，其系統(tǒng)效率受運(yùn)行條件影響顯著，尤其對溫度與壓力的敏感性成為工程優(yōu)化的核心議題。本文基于自主搭建的PEMEC電解水測試臺(tái)，系統(tǒng)研究了在30–80°C溫度區(qū)間及常壓至3 MPa壓力范圍內(nèi)的效率變化規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒定電流密度(如2 A/cm²)下，隨著溫度升高，電池電壓顯著下降，系統(tǒng)電能消耗降低，整體效率提升。這主要?dú)w因于高溫下質(zhì)子傳導(dǎo)率增強(qiáng)、電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)加快以及界面阻抗減小。然而，當(dāng)溫度超過70°C時(shí)，膜材料(如Nafion)可能出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)性能下降，效率增長趨于平緩甚至略有回落。
在壓力方面，提高陽極側(cè)操作壓力可直接獲得高壓氫氣，減少后續(xù)壓縮能耗。但高壓同時(shí)增加了膜兩側(cè)的機(jī)械應(yīng)力，可能引發(fā)膜穿孔或密封失效。測試數(shù)據(jù)顯示，在1.5 MPa以下，系統(tǒng)效率隨壓力上升略有提升；超過2 MPa后，歐姆損失和傳質(zhì)阻力顯著增加，效率反而下降。此外，高壓還加劇了氧氣向陰極的滲透，帶來安全隱患。
綜合來看，PEMEC電解水測試臺(tái)在60–70°C、1–1.5 MPa工況下表現(xiàn)出較優(yōu)能效比，兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性。未來研究應(yīng)聚焦于開發(fā)耐高溫、耐壓的復(fù)合膜材料，并優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)以改善高壓下的傳質(zhì)性能。本研究為PEMEC系統(tǒng)在工業(yè)級綠氫項(xiàng)目中的參數(shù)配置提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)與理論支撐。
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