氢能测试之电解水材料级测试方法探索

氢能作为未来低碳发展的主要清洁能源，已成为全球共识。其中，电解水制氢技术作为构建氢电协同的重要领域，受到氢能行业的高度关注。电解制氢技术主要分为碱性电解槽（ALK）、质子交换膜电解槽（PEM）和阴离子交换膜电解槽（AEM）等。

ALK电解槽因其技术成熟和成本低，广泛应用于工业领域的大规模制氢项目。PEM电解槽则具备高电流密度、与绿色电力耦合性强和环境友好等特点，受到越来越多的关注。AEM电解槽采用非贵金属催化剂，并具备快速启动等特点，被认为是未来重点发展的技术之一。

电解水材料的开发需要研发一系列的组件后采用“非原位”和“原位”两种测试方法进行筛选并作为电解槽的候选材料。当测试结果满足预期时，材料随后用于制备组件进行测试，如催化剂涂层膜(CCM）或膜电极组件（MEA）、双极板、隔膜等进行原位测试。符合预期结果的单电池一般是直接使用或扩大到所需的几何面积后，集成在短堆中进行进一步验证。原位测试一般是通过各部件集成后，并模拟在实际应用中运行的工况条件进行测试，根据测试出的指标综合评估性能。

对于电解水材料的常用的原位测试包括：

性能测试：极化曲线、敏感性测试、EIS、循环伏安法测CV、稳态载荷和动态加载测试；

耐久测试：稳态载荷和动态载荷下性能衰减测试；

加速测试：加速寿命测试和加速应力测试。

电解水材料受到不同的操作条件的影响，通过建立参考操作条件表，使不同的单电池或短堆进行同样的测试，从而评估不同材料的性能，并进行对比，参考的操作条件应模拟实际运行工况。但在某些情况下，材料级别的测试需在正常操作条件之外的情况下进行，并且可能是一些破坏性的测试。操作条件由两组参数组成：首先，可设定的测试参数被定义为测试输入参数（TIP）。其次，仅反馈的参数定义为测试输出参数（TOP），并且TIPs（测量和控制）和TOPs（仅测量）的器件原则上应尽可能靠近单电池的相关位置。常规测试中三种不同的电解水技术的均具备对应的参考操作条件（TIPs和TOPs）。以PEM电解水测试系统为例，如下表所示：

当操作条件偏离参考操作条件时，对单电池和短堆性能和耐久性产生相对影响的因素被称为“应力”。通过改变操作条件、加载方式，并考虑机械性能、泄露、水质及环境等因素，建立一套由多个连续阶段组成的测试方法，并进行原位测试，量化各种影响因素对性能和耐久性产生的影响。在制氢系统中，两个主要参数决定了技术差异，即：(i)操作条件：温度和压力；（ii）离子传导率以及反应活性。因此，在测试过程中为了更好的系统性的评价电解水材料性能，需要通过不同的操作条件进行测试并对比，如入口温度、压力、水流量等参数的不同对于性能的影响；同时，在寿命加速与耐久性的验证测试过程中需要组合不同的操作条件并完成长时间的测试。

针对电解水的材料级验证测试，包括边界性能测试、敏感性测试、电化学测试以及耐久测试等，科威尔推出了E500系列单池测试系统，覆盖PEM/ALK/AEM的测试需求。用户可选择桌面式单池常压/高压测试系统和单池多通道测试系统。

产品优势：

水路流量、温度和压力自动宽范围高精度控制监测功能；

产气预处理功能，气体流量在线测量与快速取样分析功能；

支持敏感性、极化和耐久性测试能力；

氢气泄漏检测、紧急排风等安全保护功能；

自定义脚本编程功能，支持多通道数据同时存储、图形多轴和图标跟随；

电化学集成能力，支持EIS, CV等电化学测试；

支持多种规格PEM电解水专用夹具选配，包括5cm²、16cm²、25cm²；

满足欧盟JRC电解槽相关测试标准。