permeation shows linear dependence in permeation cell and quadratic dependence in real electrolysis.The quadratic dependence may be attributed to the convective permeation caused by the increase in membrane water permeability and changes in the water channel.Thirdly,considering the current in real operating conditions of electrolysis,the effect of current density on hydrogen permeation is reviewed.The permeability increases with the increase of current density,which may be attributed to the increase of hydrogen supersaturation at high current density.In addition,the relevant theoretical mechanisms of the above parameters affecting hydrogen permeation are reviewed.KEY WORDS PEM water electrolysis:Differential pressure;Hydrogen permeation;Permeability;Current density 质子交换膜(PEM)电解制氢，作为适应可再生能源制氢的先进技术，是国内外大力发展的热 点。不但可促进新能源规模化消纳，绿电制取的氢气还可广泛用于交通运输、合成氨、氢治金等， 实现多领域深度碳减排4,1。基于质子交换膜优异的机械性能与气体隔绝能高压PEM电解堆已 实现商业化6！。但由于膜的吸水特性，在高压PEM电解堆运行过程中， 仍在《体渗透问题R,o。 在低电流密度区，气体渗透与安全、效率密切相关，而在高电流密度区， 渗透影响膜的衰减-11。因 此，明晰气体渗透的理论机制，研究不同运行参数对渗透的影响规律，称 质子交换膜电解堆的安 全、高效运行至关重要。 目前，在质子交换膜电解制氢气体渗透的相关研究中， 一方面采用理论计算方法，通过建立渗 透模型，对渗透率进行定量计算：另一方面利用试验测量方法，测试环境包括渗透池与电解池两类。 二者区别在于渗透池可以模拟电解制氢运行时的温度、压等条件，但无法施加电流，而在电解池 中进行原位测试时，能够全面评估各类参数对渗透的影响特别是不同运行电流密度下的气体渗透 行为。此外，在质子交换膜电解制氢环境中，相对氟气 氢气渗透产生的影响更为严重，本文主 要综述了各类操作条件变化对氢气渗透影响规律的研究进用 1渗透基本理论14 粒子或分子的随机热运动引起布朗运动导致扩散，分子在距离d上的浓度差△c会产生渗透通量 Φ，如菲克定律所描述： D=-DAc (1) 其中，D表示分子在介质中的散系数。 根据亨利定律，介质中溶解气体的浓度cas与其分压Psa及在介质中的溶解度S密切相关，可 以表示为： (2) 由扩散引趣的气体渗透率是扩散系数与该气体在介质中溶解度的乘积： Egas Dgas Sgas (3) 当膜将两个分压不同的腔室隔开时，利用式(2)与(3)，菲克定律可以表示为分压差△p的函数： Ap gas gas =gas d (4) 由式(4)可以看出，影响气体渗透的因素主要有以下几个方面，一是温度、压力等外界参数，通 过影响扩散系数D与溶解度S对渗透率产生影响：二是水合程度、厚度等膜的特性：三是膜两侧 的分压差。此外，在电解制氢实际工况中还存在运行电流，下面将从上述几方面对氢气渗透的影响 规律进行综述。permeation shows linear dependence in permeation cell and quadratic dependence in real electrolysis. The quadratic dependence may be attributed to the convective permeation caused by the increase in membrane water permeability and changes in the water channel. Thirdly, considering the current in real operating conditions of electrolysis, the effect of current density on hydrogen permeation is reviewed. The permeability increases with the increase of current density, which may be attributed to the increase of hydrogen supersaturation at high current density. In addition, the relevant theoretical mechanisms of the above parameters affecting hydrogen permeation are reviewed.
KEY WORDS PEM water electrolysis; Differential pressure; Hydrogen permeation; Permeability; Current density 质子交换膜（PEM）电解制氢，作为适应可再生能源制氢的先进技术，是国内外大力发展的热 点[1-3]。不但可促进新能源规模化消纳，绿电制取的氢气还可广泛用于交通运输、合成氨、氢冶金等， 实现多领域深度碳减排[4, 5]。基于质子交换膜优异的机械性能与气体隔绝能力，高压 PEM 电解堆已 实现商业化[6-8]。但由于膜的吸水特性，在高压 PEM 电解堆运行过程中，仍存在气体渗透问题[9, 10]。 在低电流密度区，气体渗透与安全、效率密切相关，而在高电流密度区，渗透影响膜的衰减[11-13]。因 此，明晰气体渗透的理论机制，研究不同运行参数对渗透的影响规律，对于质子交换膜电解堆的安 全、高效运行至关重要。 目前，在质子交换膜电解制氢气体渗透的相关研究中，一方面采用理论计算方法，通过建立渗 透模型，对渗透率进行定量计算；另一方面利用试验测量方法，测试环境包括渗透池与电解池两类 。 二者区别在于渗透池可以模拟电解制氢运行时的温度、压力等条件，但无法施加电流，而在电解池 中进行原位测试时，能够全面评估各类参数对渗透的影响，特别是不同运行电流密度下的气体渗透 行为。此外，在质子交换膜电解制氢环境中，相对于氧气，氢气渗透产生的影响更为严重，本文主 要综述了各类操作条件变化对氢气渗透影响规律的研究进展。 1 渗透基本理论[14] 粒子或分子的随机热运动引起布朗运动导致扩散，分子在距离 d 上的浓度差∆c 会产生渗透通量 Φ，如菲克定律所描述： d c D     (1) 其中，D 表示分子在介质中的扩散系数。 根据亨利定律，介质中溶解气体的浓度 cgas与其分压 pgas及在介质中的溶解度 Sgas密切相关，可 以表示为： cgas  pgasSgas (2) 由扩散引起的气体渗透率是扩散系数与该气体在介质中溶解度的乘积：  gas  DgasSgas (3) 当膜将两个分压不同的腔室隔开时，利用式(2)与(3)，菲克定律可以表示为分压差 Δpgas的函数： d pgas gas gas     (4) 由式(4)可以看出，影响气体渗透的因素主要有以下几个方面，一是温度、压力等外界参数，通 过影响扩散系数 Dgas与溶解度 Sgas对渗透率产生影响；二是水合程度、厚度等膜的特性；三是膜两侧 的分压差。此外，在电解制氢实际工况中还存在运行电流，下面将从上述几方面对氢气渗透的影响 规律进行综述。 录用稿件，非最终出版稿