日前，由合肥综合性国家科学中心能源院（安徽能源实验室）与合肥中能大友能源技术有限公司共建的新能源先进测控技术联合实验室，经过2年时间系统设计和研发，推出了一套基于高精度制氢多场耦合控制的100kW级质子交换膜（PEM）电解水制氢测试设备。该台架秉承“精准、安全、可溯、智能”的设计理念，旨在解决商业化大功率PEM电解槽测试中面临的电流密度、温度、压力耦合性强、动态响应要求高、以及安全性难以保障等核心挑战。

图1：100kW级PEM电解槽制氢多场耦合测试设备实物图

围绕“双碳”目标，绿氢是深度脱碳的核心载体。PEM电解水技术因其效率高、响应快、负荷范围宽等优点，是适配波动性可再生能源（如风电、光伏）的理想制氢路径。该技术从实验室-scale（kW级）走向产业化-scale（MW级）过程中，电解槽的耐久性和成本仍是瓶颈。其性能衰减与材料在诸如高电流密度、高压、高温、频繁启停实际复杂工况下的失效机制密切相关。因此，研发一个能够精准模拟产业化使用环境、同时具备实验室级分析精度的桥接式测试平台，对于材料筛选、结构优化和寿命预测至关重要。

该设备核心价值还在于，在满足相关标准和设计规范的基础上，超越了传统性能测试功能。其设计目标不仅是验证电解槽的性能指标，更是成为了一个“材料工况行为解析器”，能够精确控制实验边界条件，从而清晰地建立宏观性能输出与微观材料演化之间的因果关系，提供高质量、高保真的失效分析数据。该套设备集成了高精度流体控制、多场协同控制策略和多级安全联锁与数字化监控系统，其最高实验压力可以达到10MPa。通过高精度温度梯度控制（±0.5°C）、去离子水水质在线监测与反馈（≤0.1 µS/cm）、压力（背压控制精度<±0.5%F.S.）、及电化学参数（电压采集精度≤2mV）的极致控制，以及毫秒级快速启停逻辑，实现了对电解槽内部反应界面（三相界面）状态的精准模拟与调控，为研究PEM电解槽及其催化层、质子交换膜、多孔传输层等关键材料在拟工业化工况下的性能衰减机理提供了一个可靠的研发与验证平台。

图2：设备稳定性实测数据统计图

技术背景：

1.测试台架系统设计与工程实现

1.1 整体架构与设计理念

该设备采用模块化设计，核心包括：(i) 循环加热与供给单元；(ii) 氮气吹扫单元；(iii) 氢侧管理单元；(iv) 氧侧管理单元；(v) 外置纯化单元；(vi) 电源与数据采集单元。

1.2 核心子系统创新设计与材料学意义

1.2.1 高精度热管理与水质控制单元

设计: 系统采用多级温度控制策略。主循环罐配备大功率加热器（升温速率≥3.5℃/min），由PID算法实现RT+5°C-90°C范围内±1°C的控制精度。关键测点（如电解槽进出口）采用A级精度热电偶进行监控。

水质管控：采用“过滤器 + 去离子器”组合，确保进入电解槽的水质电阻率≥10 MΩ·cm，并由在线电导率装置实时监测。

材料关联：精准的温度控制极大抑制了因热循环导致的膜电极组件（MEA）各层材料间热机械应力失效。超纯水则彻底避免了Ca²⁺/Mg²⁺等离子对Nafion™膜磺酸基团的毒化，以及Cl⁻等阴离子对催化剂活性位的占据与腐蚀，确保了观测到的性能衰减源于材料本征退化而非外部污染。

1.2.2 氢/氧侧气液分离与背压控制单元

设计：主机配备高效气液分离罐，并分别采用高精度气动背压阀进行独立压力控制。背压压力控制范围0.5-10MPa，精度<±0.5%F.S.；

材料关联：独立、精准的背压控制是研究机械衰减的关键。它能模拟从常压到商业化高压系统的运行环境，用于研究高压差对PTL孔结构、催化层附着性以及气体交叉渗透行为的影响，这些都是导致膜电极机械损伤和性能衰减的核心因素。

图3：背压控制结构示意图（Introduction to Equilibar BPRS Technology）

1.2.3 全方位安全联锁与样本保护系统

设计：系统构建了多重安全防护：

参数监控：超过50个温度、压力及流量高精度传感器，监测全流路状态。

紧急响应：任何参数超限或发生氢泄漏，系统可触发毫秒级（<50ms）紧急停机，同时自动切断电源、关闭阀门并启动氮气吹扫。

材料关联：此系统不仅是对人身安全进行防护，更是对珍贵测试样本（电解槽）的全方位保护。它能防止因个别单槽反极（电压>2.8V）或气体交叉导致的不可逆 灾难性失效（Catastrophic Failure），从而为测试结束后对MEA进行事后分析（Post-mortem Analysis）保留了完整的、可用于分析的样本，这是进行失效机理研究的物质基础。

1.2.4 高精度电性能监测与诊断单元

设计：450kW直流电源，具备CV/CC/CP模式，电流/电压控制精度≤0.5%F.S.。集成了一套多通道电压巡检仪（CVM），单通道测量精度≤2mV。

材料关联：通过CVM诊断电解槽核心材料的均匀性。通过实时监测每个单池的电压，精准定位因催化剂涂布不均、膜厚不均或局部阻塞导致的性能薄弱点。电压的微小波动和趋势是催化剂降解、膜干涸或水淹等微观过程的宏观体现，为离线材料分析提供了明确指向。

2. PEM 100kW电解槽制氢多场耦合测试设备核心性能指标与材料研究价值

3. 台架在材料研究中的应用范式

该设备的强大能力使其能够执行多种高级测试协议，远超简单的性能验证：

材料筛选与优化（Screening & Optimization）: 可在相同的、受控的苛刻工况下（如90°C, 3.0 MPa, 2.0 A/cm²），对比测试不同MEA（如不同Ir载量的催化剂、不同厚度的膜）的初始性能与衰减速率，为材料选择提供直接、可靠的数据支撑。

加速应力测试（Accelerated Stress Test, AST）: 通过设计特定的动态工况（如频繁启停、负载循环、压力循环），可以针对性加速某一特定失效机制（如催化层腐蚀、载体碳腐蚀、膜化学降解等），从而在较短的时间内获得材料的寿命预测数据。

失效机理研究（Degradation Mechanism Study）: 通过消除水温、水质、热管理等外部变量的干扰，确保了性能衰减数据的高重复性与可归因性，使研究人员可以确信性能变化源于测试样本本身。在完成长时间耐久性测试后，对受到系统保护的电解槽进行拆解，利用SEM, TEM, XPS等表面分析技术对MEA进行Post-mortem分析。