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摘要：电解水制氢装备长期运行于高电位、强电解质及气液两相环境中，易发生点蚀、电偶腐蚀及局部溶解。本文分析其电化学腐蚀机理，从材料选择、电解液处理、电极涂层及系统设计提出防腐方案，并结合电化学试验、失重测试和表面形貌表征评价防护效果，为制氢装备耐蚀设计与运行维护提供技术依据。

关键词：电解水制氢；电化学腐蚀；电极涂层；防腐技术；碱性电解槽

1电解水制氢装备电化学腐蚀机理

电解水制氢装备长期处于电解液、电位差、温度及气液两相共同作用环境中，金属部件易发生阳极溶解、阴极还原及局部腐蚀。碱性电解槽中，高浓度KOH对镍基材料、碳钢及连接部件产生化学与电化学耦合作用[1]。PEM电解槽则受酸性环境和高阳极电位影响，双极板、集流体及多孔传输层面临更高腐蚀风险。材料表面钝化膜的形成与破坏、电位分布不均、杂质离子迁移及析氢析氧气泡覆盖均会改变界面反应动力学，并诱发点蚀、缝隙腐蚀和电偶腐蚀。

2防腐技术方案

2.1防腐材料选择

电解水制氢装备防腐材料应依据电解介质、工作温度、电极电位和结构受力条件综合确定。碱性电解槽可优先采用镍及镍基合金、不锈钢等耐碱材料，并控制异种金属直接接触形成电偶腐蚀。PEM电解槽阳极侧处于强酸性和高电位环境，双极板、集流体等部件宜选用钛及耐蚀钛合金。密封材料还需兼顾耐碱、耐酸、耐温及氢气渗透性能，避免介质浸泡后发生溶胀、脆化和密封失效[2]。

2.2电解液处理技术

电解液处理应围绕水质纯化、组分稳定、循环净化和状态监测开展。补水系统宜采用反渗透、离子交换或电去离子工艺，降低氯离子、硫酸根、钙镁离子及金属杂质含量，并配置精密过滤单元拦截颗粒物和腐蚀产物[3]。碱性电解槽运行时需控制KOH浓度、温度及碳酸盐积累，避免电导率下降、沉积堵塞和局部浓差腐蚀。添加缓蚀组分时应验证其对析氢析氧动力学、电导率及电极活性的影响，不宜直接套用常规循环水药剂。循环系统需控制流速和气液分离效率，减少死区、气泡聚集和颗粒冲蚀。运行中连续监测温度、电导率、流量、压力及液位，并定期检测Fe、Ni、Cr等金属离子浓度，依据变化趋势判断材料溶解程度和内部腐蚀状态，及时调整补液、过滤及换热参数。

2.3电极涂层技术

电极涂层需兼顾催化活性、导电性、附着强度及长期电化学稳定性，其材料体系应与工作极性和电解介质匹配[4]。碱性电解槽析氢侧可采用镍基或镍合金活性层，析氧侧应重点提高高阳极电位条件下的抗氧化和抗溶解能力。PEM电解槽阳极通常采用铱基催化材料，钛基多孔传输层表面则需抑制绝缘性氧化膜持续增厚造成的接触电阻升高。涂覆前应完成脱脂、酸洗或适度粗化，去除弱结合氧化层并改善界面结合。可根据基材和涂层体系采用电沉积、热喷涂、化学沉积或热分解工艺，严格控制厚度、孔隙率及表面均匀性。对针孔、裂纹和剥落缺陷应结合显微检测、附着力试验和极化测试进行筛查，避免电解液沿缺陷侵入基体后形成局部腐蚀。

2.4防腐系统设计

防腐系统设计应从设备结构、材料组合、电解液管理和运行控制多个层面协同考虑[5]。槽体及管路应减少缝隙、积液区和难以排气的位置，并对异种金属连接采取绝缘隔离或材料匹配措施，降低电偶腐蚀风险。气液分离器、换热器和循环管道应便于排污、冲洗及检修，防止腐蚀产物长期沉积。系统还应预留腐蚀监测点和取样口，将金属离子变化、泄漏、压差异常及部件寿命纳入设备状态管理。

3试验研究与方法

3.1材料与仪器

试验材料选取电解水制氢装备中常见的316L不锈钢、镍基材料及表面涂层试样，并根据实际服役环境配置碱性电解液。试样经切割、研磨、抛光和去离子水清洗后干燥备用，暴露面积保持一致。主要仪器包括电化学工作站、恒温水浴装置、分析天平、表面粗糙度仪及扫描电子显微镜。电化学测试采用三电极体系，并配置稳定参比电极和惰性辅助电极，以保证测试数据具有可比性。

3.2试验方法

试验围绕电解水制氢装备典型服役环境设置电解液浓度、温度、试验时间及材料表面状态等条件，分别开展电化学腐蚀、质量损失和涂层耐蚀性能测试。试样测试前统一进行切割、研磨、抛光、清洗和干燥处理，并准确记录尺寸、有效暴露面积及初始质量。电化学测试采用三电极体系，在开路电位稳定后进行动电位极化和电化学阻抗谱测试，获得腐蚀电位、腐蚀电流密度、电荷转移电阻及膜层阻抗等参数。浸泡试验结束后清除腐蚀产物并重新称量，根据质量损失、暴露面积和试验时间计算平均腐蚀速率。涂层试样还需检测厚度、附着状态及表面缺陷等。

4结果与分析

试验结果表明，316L不锈钢裸材腐蚀电位为−0.31V，腐蚀电流密度为8.6μA/cm²，涂层处理后分别变为−0.18V和2.3μA/cm²，腐蚀电流密度下降73.3%。电化学阻抗测试中，裸材电荷转移电阻为4.8kΩ·cm²，涂层试样提高至15.6kΩ·cm²。浸泡试验显示，裸材平均腐蚀速率为0.082mm/a，涂层试样降至0.026mm/a，降幅68.3%。温度由60℃升至80℃后，裸材腐蚀电流密度增至13.4μA/cm²，表明升温加快阳极溶解。显微观察发现，裸材表面存在较多点蚀坑和腐蚀产物，涂层试样整体较完整，仅局部针孔处出现轻微腐蚀。

5结论

研究表明，电解水制氢装备腐蚀受材料特性、电解液状态、工作电位及温度共同影响。试验中涂层处理使腐蚀电流密度下降73.3%，平均腐蚀速率下降68.3%，电荷转移电阻明显提高。合理选材、净化电解液、优化循环系统并控制涂层缺陷，可有效降低局部腐蚀风险，提升关键部件耐蚀性和服役稳定性。

参考文献

[1]向锐.镍基一体化电解水电极研究[D].重庆：重庆大学，2019.

[2]王斌，黄乃宝，梁成浩.电解水制氢不锈钢碱液过滤器开裂失效分析[J].材料科学，2021,11(7):869-877.

[3]唐秋逸，纪秀林.高熵合金及其涂层的耐磨性研究进展[J].热加工工艺，2021,50(16):18-24.

[4]周峻,冀承泽,李儒欢,等.电解水制氢技术发展现状及其在新型电力系统中的应用进展[J].高电压技术,2025,51(5):2096-2113.

[5]张正,宋凌珺.电解水制氢技术：进展、挑战与未来展望[J].工程科学学报,2025,47(2):282-295.

李建伟

华电重工机械有限公司