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联合研发的100kW级质子交换膜（PEM）电解水制氢测试设备，近日正式投入应用。该设备基于高精度制氢多场耦合控制技术，专为解决商业化大功率PEM电解槽测试中的核心难题而设计，涵盖电流密度、温度、压力的强耦合性，动态响应的高要求，以及安全性保障等关键环节。
在“双碳”目标背景下，绿氢被视为深度脱碳的关键载体。PEM电解水技术凭借其效率高、响应快、负荷范围宽等优势，成为适配风电、光伏等波动性可再生能源的理想制氢路径。然而，从实验室规模（kW级）迈向产业化规模（MW级）的过程中，电解槽的耐久性和成本控制仍是主要瓶颈。其性能衰减与材料在高电流密度、高压、高温及频繁启停等复杂工况下的失效机制密切相关。因此，开发一套既能精准模拟产业化环境，又具备实验室级分析精度的测试平台，对材料筛选、结构优化和寿命预测具有重要价值。
该测试设备的核心价值不仅在于满足相关标准和设计规范，更在于超越传统性能测试功能。其设计目标不仅是验证电解槽的性能指标，还充当“材料工况行为解析器”，通过精确控制实验边界条件，建立宏观性能输出与微观材料演化之间的因果关系，提供高质量的失效分析数据。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，最高实验压力可达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（≤0.1 µS/cm）、压力控制（背压精度<±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电解槽及其关键材料在拟工业化工况下的性能衰减机理提供了可靠的研发与验证平台。
从技术实现来看，该设备采用模块化设计，核心子系统包括循环加热与供给单元、氮气吹扫单元、氢侧与氧侧管理单元、外置纯化单元以及电源与数据采集单元。其中，高精度热管理与水质控制单元通过多级温度控制策略和A级精度热电偶，实现RT+5°C-90°C范围内±1°C的控制精度，有效抑制了热循环导致的膜电极组件（MEA）各层材料间热机械应力失效。同时，采用“过滤器+去离子器”组合的水质管控系统，确保进入电解槽的水质电阻率≥10 MΩ·cm，避免了离子对Nafion™膜和催化剂的毒化与腐蚀，确保观测到的性能衰减源于材料本征退化。
氢/氧侧气液分离与背压控制单元通过高效气液分离罐和高精度气动背压阀，实现0.5-10MPa范围内±0.5%F.S.的压力控制精度，为研究高压差对PTL孔结构、催化层附着性及气体交叉渗透行为的影响提供了关键工具。全方位安全联锁与样本保护系统则通过超过50个高精度传感器和毫秒级紧急停机响应，防止因反极或气体交叉导致的不可逆灾难性失效，为测试后的MEA事后分析保留了完整样本。
高精度电性能监测与诊断单元通过450kW直流电源和多通道电压巡检仪（CVM），实现电流/电压控制精度≤0.5%F.S.和单通道测量精度≤2mV，可精准定位催化剂涂布不均、膜厚不均或局部阻塞导致的性能薄弱点，为离线材料分析提供明确指向。
在实际应用中，该设备可执行多种高级测试协议。例如，在材料筛选与优化环节，可在相同的苛刻工况下（如90°C、3.0 MPa、2.0 A/cm²）对比不同MEA的初始性能与衰减速率；在加速应力测试中，通过设计频繁启停、负载循环等动态工况，针对性加速催化层腐蚀或膜化学降解等特定失效机制；在失效机理研究中，通过消除外部变量干扰，确保性能衰减数据的高重复性与可归因性，为拆解后的MEA进行SEM、TEM、XPS等表面分析提供可靠依据。
