电化学水电解槽知识

三种WEs的原理图：

(a)传统的碱性有限间隙WE (AWE)。

 (b)使用H+导电膜在酸性条件下运行的零间隙PEMWE。

(c)使用OH−导电膜的零间隙AEMWE。其目标是使用无贵金属的催化剂作为AEMWE的阴极和阳极。

专业术语“有限间隙”和“零间隙”与发生O2析出反应（OER）和H2析出反应（HER）的阳极和阴极之间的隔板距离有关。有限间隙碱性WE使用多孔隔板和水溶液，例如wt为30%KOH为导电溶液，（上图a）。这是一项经过验证的技术，自20世纪50年代末以来已在MW规模上部署。碱性条件（特别是pH>13）下的一个众所周知的优点是，与需要铂族金属催化剂的酸性介质不同，非铂族金属（非PGM）基催化剂对OER和HER有较好的稳定性。通常，高表面积雷尼镍电极用于无限间隙碱性电解槽。使用如Zircon and Perl UTP 500等多孔隔膜，需要阳极和阴极之间的较大距离（>2mm），以减少H2和O2气体交叉，但由于离子电阻直接依赖于电解质厚度，因此较大距离伴随着高欧姆电阻。也限制了可达到的最大电流密度（jmax）。

通常，有限间隙碱性WE的电流密度值为0.25A/cm2，这对于与可再生能源（如风能）的耦合集成来说太低了，可再生能源需要能够接受数A/cm2范围内的电流密度以及快速动态响应的ES技术。正在开发新的WE设计，其中包括一个电极，该电极与分离器（隔膜）之间的间隙最小甚至为零。探索的实例是与例如wt24%KOH电解质组合的碱掺杂离子溶剂化膜。使用KOH掺杂的离子溶剂化膜和雷尼镍电极的单电池测试在1.7A/cm2的电流密度值下产生1.8V的低电池电压。

由于采用了低H2和O2交叉的聚合物薄膜，零间隙WE设计降低了内阻。质子交换膜(PEMs，也称为阳离子交换膜)和阴离子交换膜(AEMs)分别用于酸性(上图b)和碱性(上图c)零间隙WEs。因此，零间隙WE会比有限间隙电解槽获得更高的电流密度值。

对于商用PEMWE，使用薄至50−200μm的PEM时，电流密度值为1~3 A/cm2，寿命可达15000−20000小时。PEMWE要比AEMWE成熟得多。这与PEM（通常由Nafion和Aquivion商标下的全氟磺酸组成）的稳定性显著高于阴离子交换膜（AEM）的事实有关，尽管Nafion的稳定性限于80°C操作。事实上，使用Nafion隔膜（电解质）的PEMWE通常操作温度为60°C。仅在最近几年，AEMWE单电池在数A/cm2的电密范围内运行，AEM稳定性的提高层面已经取得了不少成就，但耐久性和性能仍需要进一步证明。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：电化学水电解槽知识