社会的发展需要消耗大量的能源,然而日益见少的化石能源和温室效应等环境问题迫使人们不得不寻求清洁且可再生的绿色能源,比如氢能。质子交换膜（Proton exchange membrane,PEM）电解水技术和传统的碱性电解水和固体氧化物电解水技术相比,因具有能耗低、安全性高、产气纯度高的优点而被广泛关注,但其缺点也很明显,造价高,且容易受到杂质离子的影响使得稳定性显著下降。因此,降低PEM水电解技术的成本,了解杂质离子对电解器的影响并提出有效应对措施非常重要。基于这一目的,本文进行了一些针对PEM水电解的技术上的相关研究,主要内容和成果如下:1、本文首次提出将第一代气体扩散电极中的疏水成分聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene,PTFE）用同样具有疏水作用的粉状氟化乙炔黑（CFx）取代,并用墨水电极制备方法制备了气体扩散电极。制备的电极相比于喷涂法制备的相同Pt载量的PTFE电极,在低温大电流密度下运行具有更好的电化学性能。从电镜结果可以看到CFx电极的表面更平整,有利于和膜建立更密切的质子传递通道;而孔径分析则表明CFx电极中的颗粒的堆积方式更有规律,使得催化层的孔面积更多,意味着电极具有更多的反应位点,电化学表面积测试也证实了这一点。不同比例的CFx和不同催化层厚度的CFx电极其性能亦有差距,当催化层厚度较薄且CFx含量高时,电极的三相结构更为高效,可以使得Pt载量降低至0.03mg/cm²。2、本文直接使用商业的WC用作非贵金属析氢催化剂。结果表明,颗粒更小的WC反而不稳定,运行时的参数以及断电后重启对电极的性能影响更为明显。在低温大电流下运行时,WC催化剂组成的析氢电极表现出更高的电化学性能,和采用Pt作为析氢材料的电极相当。当电解器长时间断电重启时,需要在断电期间为阴极提供隔离氧气的环境,否则重启后性能不可恢复,其原因在于WC易氧化,WC氧化后表面具有催化活性的碳化物比例下降,在停止运行时确保阴极密封水这一措施可以有效并经济地解决WC在断电时的氧化问题。将超细WC负载在氟化乙炔黑上可以明显提升WC催化剂的稳定性,这一通过改变催化剂化学环境来提升催化剂稳定性的方法,有可能为拓展非贵金属催化剂的应用范围提供一条具有实际意义的解决方案!3、系统研究了PEM水电解器的杂质离子中毒机制及解决方案,重点调查了Na⁺、Ca²⁺、Fe³⁺以及Ti⁴⁺中毒机制。结果表明,对于Na⁺这种中毒后不产生覆盖物且和Nafion亲和力较弱的杂质离子中毒,即使1000ppm Na⁺中毒也可以通过维持阴极p H为1的方式去除或者控制;对于Ca²⁺和Ti⁴⁺这种会产生氧化物覆盖物且和Nafion亲和力强的杂质离子中毒,同样的方式对高浓度离子中毒难以去除,因为促使杂质离子和Nafion解离需在阴极提供更高浓度的质子,而在水电解器内形成的氧化物会导致电子阻抗显著增大;Fe³⁺中毒并不明显,这是因为Fe³⁺自身水解产生了一定量的质子,且Fe³⁺中毒后并不会出现欠电势沉积和在阴极生成不溶性覆盖物的情况,从而Fe³⁺中毒的影响被削弱。酸处理恢复杂质离子影响的机制为:当电解器被杂质离子污染时,由于杂质离子和膜的亲和力更高导致质子传递受阻而槽压上升,在膜外提供足量的质子可以促使杂质离子和Nafion解离,释放被占据的质子位点,进而使得电解器槽压下降,性能得到恢复。基于对杂质离子中毒的认识,当采用（武汉市）自来水进行电解时,仅需将阴极p H值控制到1便可以实现长时间稳定运行。