近日，我院青年教师张君宇在电解水制氢装置失效机制研究及状态评估方面取得重要研究进展，相关研究成果《多工况下PEM电解水膜电极组件的动态降解机制》（Dynamic degradation mechanisms of PEM water electrolysis membrane electrode assembly under multiple operating conditions）发表于《Applied Energy》（最新影响因子为12.2，中科院1区Top）。论文第一作者和通讯作者为青年教师张君宇，通讯作者还有杜洋教授和黄毅超副教授。中国石油大学（华东）为第一署名单位，该研究得到国家自然科学基金、中国博士后面上项目、山东省自然科学基金等科研项目的资助支持。
图1论文首页
随着可再生能源制氢规模化发展，质子交换膜水电解（PEMWE）因响应速度快（<1秒）、电流密度高（>3 A/cm²）而受到广泛关注，但膜电极（MEA）成本高、动态工况下寿命不确定，仍是制约其工程应用的关键问题。现有研究多基于恒流或简化波形，难以真实反映光伏输入下频繁启停、快速爬坡和低负载运行带来的多维应力耦合作用。针对这一问题，论文构建了恒流、矩形波、三角波和真实光伏波动输入的多维动态应力测试体系，对每种运行工况开展500 h耐久性实验，并结合电化学测试与多尺度物理化学表征，系统分析了不同运行模式下MEA性能衰退与微结构演变规律。
图2论文研究结构示意图
结果表明，不同工况下MEA存在显著差异化失效路径。恒流工况主要受持续高电位诱导的Ir溶解、活性位损失和PTL钝化（>77.0% Ti4+）控制，表现为典型的电化学耗竭；而动态工况尤其是光伏波动工况，则更易引发水热循环导致的机械-化学耦合疲劳，造成膜-催化层界面脱粘、膜减薄、微裂纹扩展和F-释放增加。在此基础上，首次建立了适用于电解水制氢装置的“性能-结构耦合动力学预测模型”和“健康状态（SOH）评价模型”，实现了宏观性能衰减与界面间隙、膜减薄、催化剂溶解、PTL钝化等物化结构演化之间的关联，为面向可再生能源波动输入的长寿命MEA设计、寿命诊断和运行控制策略优化提供了重要依据。
