PEM制氢|PEM电解池单体概述

PEM 电解池单体（cell）包含多个组件。具有电化学活性的核心部件是膜电极组件（Membrane Electrode Assemblies，MEA），由一层 SPE 膜（固态聚合物交换膜，这里指的是质子交换膜）组成，膜的两侧分别涂有两层多孔电催化剂，一层位于阳极（连接电源正极），用于析氧反应（OER），另一层位于阴极（连接电源负极），用于析氢反应（HER）。【在膜的两侧涂上催化剂的膜电极制备工艺称为CCM（catalyst-coated membrane），催化剂涂在基材上的膜电极制备工艺为CCS（catalyst-coated substrates）】

MEA 通常夹在两个由烧结钛颗粒制成的多孔电流集流元件（电流收集器）之间。【多孔元件起到了电流收集和气体溢出的作用，在电解过程中，电流在电气回路传输电子，在电解池回路部为离子的传导过程（这里的离子为质子）。电解过程中产生的气体需要尽快地从反应界面中脱离，就要有相应的结构来实现气体的快速脱落。】两个具有空心沟槽（通道）的双极板用于向电池传输电流，并将相邻的两个电池隔开。通道用于将水输送到阳极，并收集每个电池槽中的液气混合物。电流收集器和电催化层之间的接触点至关重要【这个电的接触，影响着接触电阻的大小。接触电阻大，会导致在接触点的电压降较大，电解能耗高】；接触点之间的平均距离必须足够小（通常为几微米），以便在接口处获得良好的电流线分布。【接触电阻直接影响了电解能耗，较低的接触电阻需要有足够小的间距，但间距太小，可能导致MEA催化剂被挤压破坏。这是一个科学的工程设计和精密的机械制造和加工的产业问题。】端板与外部直流电源相连。电池的密封需要机械软密封垫。

PEM制氢|PEM电解池单体概述

我们面临的挑战是如何优化电池设计，使得：

(i) 非 MEA 电池组件（双极板和电流分配器）的电子电阻尽可能低，以便外部施加的电池电压仅用于克服 MEA 电阻；

(ii) 可以最小的压降将液态水泵入阳极室；

(iii) 液态水可以通过孔隙均匀地转移到阳极，同时让气态氧从阳极逆时针流向阳极双极板。在阴极区，情况较为简单，因为液态水（电渗阻力）和气态氢都是从阴极到阴极双极板的线性流动。所有这些限制条件主要通过控制电流分布器的孔隙结构来实现，这必须考虑到最大电流密度（气体产生率）和额定工作压力（气泡直径随压力变化）。

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PEM 水电解槽示意图（横截面图，图片来源于相关公司技术文件和文献）

1 - PEM，即质子交换膜；2 - 电催化层（a - 阳极，c - 阴极）；3 - 多孔集流器（a - 阳极，c - 阴极）；4 - 双极板（a - 阳极一侧，c - 阴极一侧）；5 - 集流器与电解层之间的接触点；d - 集流器与催化层之间接触点的平均距离；6 - 具有紧密排列的六角形晶格颗粒层的片段。

PEM制氢|PEM电解池单体概述

原文始发于微信公众号（新能源电子电气）：PEM制氢|PEM电解池单体概述

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