基于线性与非线性频响特性的质子交换膜水电解单池失效诊断

doi:10.7503/cjcu20260102

摘要/Abstract

摘要：

质子交换膜水电解（PEMWE）电堆运行中常见计量偏差与压力异常，失效的在线诊断与适配性调控是保障其稳定运行的关键. 本文结合电化学阻抗谱（EIS）和总谐波失真（THD）谱技术，开展面向两类失效模式区分的PEMWE单池线性-非线性频率响应的理论模拟及实验研究. 结果表明, 高给水计量与系统失压均导致电解单池的活性降低、全频域EIS模值增加；但两者的THD谱却呈现清晰可辨的频响差异，前者在0.1~100 Hz频段使THD升高，后者在0.05~1 Hz低频区使THD降低. THD谱在特征频段呈现相反变化趋势，使其能够区别于电压巡检和EIS，实现对计量偏差与压力异常失效的区分.

关键词: 电化学阻抗谱, 总谐波失真, 质子交换膜水电解, 失效诊断

Abstract:

During the operation of proton exchange membrane water electrolysis（PEMWE） stacks， common issues such as metering deviations and pressure abnormalities make the online diagnosis of failures and adaptive control crucial for ensuring stable performance. This study integrates electrochemical impedance spectroscopy（EIS） and total harmonic distortion（THD） analysis to conduct both theoretical simulations and experimental investigations of linear and nonlinear frequency responses in PEMWE single cells， aimed at distinguishing between two types of failure modes. The results indicate that both high feedwater flow and system pressure loss lead to a reduction in the activity of the electrolyzer single cell and an increase in the EIS magnitude across the full frequency range. However， the THD spectra exhibit distinct and discernible frequency-dependent responses： high feedwater flow elevates THD in the 0.1—100 Hz range， whereas pressure loss reduces THD in the low-frequency range of 0.05—1 Hz. The THD spectrum exhibits opposite trends in the characteristic frequency bands， enabling it to differentiate flow-rate deviations from pressure-related failures， in contrast to voltage monitoring and EIS.

Key words: Electrochemical impedance spectroscopy, Total harmonic distortion, Proton exchange membrane water electrolysis, Fault diagnosis

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Steady state and transient electrochemical responses of MEA in proton exchange membrane water electrolysis at 80 ℃ under different liquid intake volumes（A） Steady state polarization curves；（B） EIS spectra；（C） THD spectra.Inset of （B）： equivalent circuit diagram.

Fig.2 Visualization of two-phase flow in electrolyzer flow fields at different liquid intake volumes（A） 0.25 mL·min-1·cm-2；（B） 1.25 mL·min-1·cm-2.

Fig.3 Visually-oriented experimental data analysis by liquid intake volumes（A） Ratio of bubbles to droplets；（B） ratio of two-phase flow patterns.

Table 1 Electrolyzer voltage and average bubble size variation with liquid intake volumes

Liquid intake volume/（mL·min^-1·cm^-2）	Electrolyzer voltage/V	Average bubble size/mm
0.25	2.32	24.5
0.5	2.38	19.7
0.75	2.41	14.6
1	2.42	11.2
1.25	2.44	7.67

Fig.4 Steady state and transient electrochemical responses of MEA in proton exchange membrane water electrolysis at 80 ℃ under different pressures（A） Steady state polarization curves；（B） EIS spectra；（C） THD spectra.Inset of （B）： equivalent circuit diagram.

Fig.5 SEM comparison images of MEA cross-section(A, C) and anodic iridium black catalyst(B, D) before(A, B) and after(C, D) the experiment

Fig.6 Numerical simulation of steady-state and transient statesAt different liquid intake volumes：（A） steady state polarization curves；（B） EIS spectra；（C） THD spectra；（D） interface H+ concentration variation；（E） interface characteristic EIS spectrum；（F） interface characteristic THD spectrum.At different pressures：（G） steady state polarization curves；（H） EIS spectra；（I） THD spectra.

Table 2 Parameter optimization during pressure reduction

System pressure/MPa	10²Contact resistance/（Ω·cm²）	$k M T$
0.6	4.15	1.47
0.4	4.55	2.85
0.2	5.37	4.06
0.1	8.23	5.17

Table 2 Parameter optimization during pressure reduction

System pressure/MPa	10²Contact resistance/（Ω·cm²）	$k M T$
0.6	4.15	1.47
0.4	4.55	2.85
0.2	5.37	4.06
0.1	8.23	5.17

Fig.7 Fixed-frequency verification for different failure conditionsEIS（A， B） and THD（C， D）：（A， C） inlet flow deviation condition；（B， D） loss of pressure condition.

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