ME-A碱性水电解制氢槽硬件-AEM氢电解槽

25cm2 和100cm2ME-A碱性水电解制氢槽硬件-AEM氢电解槽

Research Grade 25cm2 and 100cm2 Hardware for AEM Water Electrolysis

电极板材料可以指定：不锈钢、钛、镍。

 

水电解利用电把水分解成氢和氧。碱水电解是公认的一种安全可靠的成熟技术，电解槽的使用寿命长达15年。他们大的优势是使用了大量的非贵金属电极催化剂。传统的碱性电解槽设计通常使用隔膜式分离器。分离器通常要求阳极和阴极之间的距离2-3mm，以防止气体交叉，从而将工作电流密度限制在约200mA/cm2,以便在合理的工作电压和相应的整体能效下工作。

通常情况下，系统使用蠕动泵来测量1m KOH溶液，均匀的分配到阴阳极。

带有两个分离气体的溶液存储层。泵的总流量50ml/min。建议使用6mm的管。

外径3mm的四氟管，电解室至少20cm，减少电流泄漏。两种气体产物不混合在一起。

流体进出口位于电解池中心。

电源从电池顶部找到电线连接的极耳。

 

 

 

CO2还原/电池电解槽及组件

双金属合金结构中的应变在电化学CO2还原反应（CO2RR）中引起了极大的兴趣，在该反应中，通过优化中间体的结合财产，提高了电催化活性和产品选择性。仍然缺乏可靠的合成策略和对CO2RR中应变效应的系统理解。在此，我们报告了一种应变松弛策略，用于确定双金属MNi合金（M=Pd、Ag和Au）中的晶格应变，并实现了96.6%的CO2/CO法拉第效率，并显示出对Zn-CO2电池的优异活性和耐久性。分子动力学（MD）模拟预测，应变PdNi合金（s-PdNi）的弛豫与合成温度的增加相关，高温活化能驱动多个金属原子的完全原子混合，以允许调节晶格应变。密度泛函理论（DFT）计算表明，应变弛豫通过优化s-PdNi合金表面上*COOH和*CO中间体的形成能量，有效地提高了CO2RR活性和选择性，这也通过原位光谱研究得到验证。该方法为催化剂设计提供了一种有前途的方法，能够独立优化反应中间体的生成能，提高催化活性和选择性。

 

5cm2电解槽

系统设置使用蠕动泵以流速2.5L/min的流速将10mmKHCO3水溶液从储液罐循环到阳极室，建议用3mm的气管。使用瓶式加湿器用水对钢瓶中的CO2进行加湿，以30sccm的流速将其送入阴极室。

用电线/电缆将电源上的阳极电线（红色）和阴极电线（黑色）分别连接到正极和腹肌的连接上。将电源电压设置3-3.2V之间，缓慢将电流增加到1A（0.2A/cm2）.电池电流将在几分钟或几小时达到所需的1A，这取决于电池膜和电极条件，也可以使用恒电位仪进行测试，连接取决于测试协议。

 

25cm2电解槽

系统设置使用蠕动泵以流速25L/min的流速将10mmKHCO3水溶液从储液罐循环到阳极室，建议用6mm的气管。使用瓶式加湿器用水对钢瓶中的CO2进行加湿，以150sccm的流速将其送入阴极室。

用电线/电缆将电源上的阳极电线（红色）和阴极电线（黑色）分别连接到正极和腹肌的连接上。将电源电压设置3-3.2V之间，缓慢将电流增加到5A（0.2A/cm2）.电池电流将在几分钟或几小时达到所需的5A，这取决于电池膜和电极条件，也可以使用恒电位仪进行测试，连接取决于测试协议。

 

 

流体连接

阴极：将进气管连接到阴极顶部的不锈钢压缩配件，将另一根管连接到阴极底部的压缩配件上。连接到排气管。注意CO有毒，不可排放在实验室。

阳极：同理

 

 

 

包括配件：

阴阳电极

螺丝1套

O型圈

绝缘件

电极线

垫片

极耳

测试线

四氟气管

气管切割器

AEM电解槽膜电极（ME-A）、集流器（PTL&GDL），双极板(BP)和流场设计

一、ME-A

为了形成ME-A，催化剂可以直接沉积在膜上，称为催化剂包覆膜(CCM)技术；也可以沉积在基板上，称为催化剂包覆基板(CCS)技术。涂覆基材的典型制备方法，对于AEMWEs通常是GDL或PTL的选择，包括湿法路线，其中催化剂粉末和离聚物与合适的溶剂混合，以产生稳定的浆料。浆料通过喷涂或喷涂到GDL支架上。这些应用在燃料电池领域的技术已经在PEMWEs和近的AEMWEs中得到了优化。为了减少与湿路ME-A制造方法有关的大量溶剂的使用和浪费，也正在研究新的替代薄膜沉积方法。化学气相沉积、原子层沉积、离子束溅射沉积或磁控溅射是这种薄膜沉积方法的例证。CCS方法通过将催化剂油墨和浆料直接沉积在适当的基板上，可以更容易地控制制备坚固和稳定的催化剂层。CCM方法的好处是催化剂层与膜界面的接触有改善，从而提高离子导电性，这可以从界面的接触电阻降低可以得到佐证。CCM主要的担忧是离聚体的稳定性可能会受到损害，并且在催化剂沉积过程中可能会引入膜的表面变化，如溶胀。CCM和CCS工艺制备的ME-As之间的比较并不容易，因为诸如膜稳定性、离聚体和膜相容性以及沉积技术等许多因素会导致可能存在明显的差异。Miller等人近的一篇综述准确地说明了这一点，对于CCS和CCM工艺制备的ME-As，在1.8 V下记录的平均电流密度相似（约200mA/cm2）。另对于不同工艺制备的ME-As，AEMWE单电池的性能在很大程度上取决于操作温度、催化剂类型(PGM与非PGM)和电解质。其他研究报告显示CCM阴极和CCS阳极电极配置的佳性能，因为CCM方法由于阳极催化剂颗粒的分层而导致的电池稳定性较差。降低膜和CCS形成阳极之间界面接触电阻的另一种策略是在PTL和ME-A之间增加一个微孔层（MPL），如下图所示。当使用给水运行时，NiMPL PTL实现了改进电气连接和液体/气体的输送。不同的AEMWE电池的原理图，包括：(A)仅PTL(B)在阳极和阴极上添加一个Ni MPL -PTL。(C) AEMWE电池在60°C下给水和配置的PTL/PTL(商用镍网)和NiMPL-PTL/NiMPLPTL的性能测量。

(D)两种电池配置在0.5 A/cm2(从50 kHz到100 mHz)下的电化学阻抗谱测量。

因为涉及到许多变量，确定影响ME-A和催化剂层的制备参数某种程度上是一种试验方法。从PEMWEs和FC（燃料电池）获得的一些知识可以扩展到AEMWEs。ME-A组分的分子动力学建模结合实验验证可以更快地推进该领域。热压ME-A有利于增加催化剂层与AEM之间的接触，AEM可能会变干燥。AEM和AEI的Tg值对确定热压温度起着重要作用。与FC的气态进料相比，特别是液体进料的AEMWEs，需要进行控制以避免AEMWEs的压缩，这得益于在120 ~ 195°C、在2 ~ 200 kg/cm2的压力下持续下50 ~ 300 s。

ME-A组件需要同步优化，以解决水管理等因素，以避干燥和水淹。就AEMFC（碱性燃料电池）而言，通常人们认为是由于水淹而导致无法实现大性能。基于PEM的FC和WEs已经解决了许多这类问题，但在碱性条件下，阳极和阴极产生和消耗的水的不平衡性比在酸性条件下更大。当使用1 M KOH的液碱电解质操作时，阳极OER所需的氢氧根（OH−）来源充足，而纯水进料的OER依赖于通过在阴极发生的水分裂反应提供的氢氧根（OH−）。在AEMWE的电化学反应中，阳极产生1 mol的H 2 O，阴极消耗2 mol，而对于PEMWE，阳极消耗1 mol，阴极消耗0 mol。水在阳极产生并在阴极消耗，但在阳极供给水基本成为了AEMWEs电解槽的供给模式。这种模式减少了对H2O和H2分离的需要，从而电堆中能提供更高纯度的H2。通过向阴极和阳极注入电解液，已经可以达到佳的电池性能和高的工作电流密度，这也降低了阳极脱水的风险，且增加了向阴极的水运输。未来的策略是定制定义的ME-A和传输层结构，将液体和气体输送到特定的区域，这对于设计新颖有效的电极结构非常重要。这可以包括沿面内（电极对电极）方向调整催化剂层的分层孔隙率，并利用憎水或甚至亲水的改性剂。流量和KOH浓度的优化都与实际AEMWE的设计相关，但迄今为止相关内容在文献中受到的关注有限。

二、集流器

集流器可以被称为电解槽中的PTL(如多孔金属框架)或GDL(如编织碳纤维)，在对膜机械支撑的在两极板和各自的阳极和阴极CLs（催化层）之间传递电流。它为电解质和反应产物在各自的隔层和CLs之间提供了通道。支撑体可以是纤维、泡沫或编织金属网，如下图所示，并设计了一个大的比表面积，以增加CL和膜之间的接触。理想情况下，它应该具有相对较小的孔径(1 ~ 100 μm)，高孔隙率(>60%)，厚度在0.3 ~ 1 mm之间。

不同金属基底的扫描电镜和光学显微镜图像如下:

(a) 0.065 mm镍丝网

(b)无纺不锈钢

(c)无纺镍

(d)无纺C−Ni导电复合材料

(e) GDE

(f)不锈钢网

三、双极板（BP）

在电极、集电器和双极板之间的界面处，在没有钝化层的情况下，接触电阻可能会对电堆电阻产生显著影响。材料选择和前部件之间的均匀接触对于确保WE长期耐久性至关重要。

泡沫镍和不锈钢(SS)毡的热力学稳定性，加上它们在碱性介质中的阳极电位下的钝化能力，有利于它们在AEMWE中作为阳极基材使用。普通的SS316很可能很快将铁析出到KOH电解液中，特别是长时间在80°C的高温情况下。SS316很可能不适合作为长期电堆材料，特别是在阳极。由于氢氧根（OH-）离子存在下的碳腐蚀，FC（燃料电池）中通常使用的碳GDL于在AEMWE的阴极使用，OH-离子倾向于作为亲核中间体操作，在AEMWE阳极的高氧化环境中会加速降解。

四、流场

双极板的作用包括接触电池，从而通过形成的管路确保电堆里的反应物和产物佳流动。流场设计与这方面密切相关，影响到作为反应物的水的分布和产出气体的去除，还需要与GDL和PTL建立紧密的电接触。流场存在有不同的几何图形，例如单个和多个蛇形、平行柱形和级联图形(如图45所示)：

PEMWEs中常用的流场设计有:(A)单蛇形(B)多蛇形

(C)平行柱

目前没有佳设计。优化设计依赖于对不同压力和不同电堆尺寸的电池的有效密封。另一个需要考虑的问题是向电堆的阳极侧提供液态水的佳供应，以及这种分配效应如何也可以作为电堆在运行期间的温度控制。越来越多的在较高的工作电流密度下WEs的流量分布有限制，但PEMWE常见的仍然是使用平行通道设计，因为它已经被证明具有较低的过电位。

 

PEM电解槽ME-A制造核心材料

PEM电解水制氢技术具有工作电流密度高、总体效率更高、产氢纯度高、产气压力高、动态响应速度快、高负载灵活性等关键优势，PEM电解水制氢具有广阔的发展前景。

在PEM电解水制氢系统中，电解槽是关键的部分， PEM电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。

而PEM电解槽膜电极的制备与质子交换膜、催化剂和气体扩散层三大核心材料密切相关。

质子交换膜方面，电解水制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂，如科慕Nafion™系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion®膜、旭化成Aciplex®-S膜等。科慕Nafion™系列膜具有低电子阻抗、高质子传导性、良好的化学稳定性、机械稳定性、防气体渗透性等优点，是目前电解制氢选用多的质子交换膜。国内的企业中，东岳未来氢能和武汉绿动都已经开发出了用于PEM电解槽的质子交换膜。

催化剂方面，理想电催化剂具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。PEM电解槽的催化剂阳极和阴极所用的材料有较大的不同，其中阴极析氢（HER）电催化剂主要以Pt、Pd贵金属及其合金为主；阳极析氧（OER）电催化剂则选用抗氧化、耐腐蚀的Ir、Ru等少数贵金属或其氧化物。

气体扩散层方面，阴极通常使用碳材料，如碳纸、碳布和碳毡等，阳极则主要用钛网、钛板和钛毡等钛材料。

涂布是PEM电解槽ME-A制备的关键环节

介绍完PEM电解槽ME-A的核心材料，丁彦春分析了PEM电解槽ME-A制备的流程和关键关节，在浆料制备、CCM制备、五合一制备和六合一制备四大环节中，CCM制备为复杂，对技术和经验的要求高，也是影响PEM电解槽品质的核心所在。

“PEM电解槽ME-A的制程中，涂布环节为关键。温度、褶皱、转印的残余量、厚度的均匀性等，都需要很长时间的摸索。”隆深氢能总经理丁彦春表示，现阶段PEM电解槽ME-A制备工艺的不同主要体现在CCM制备上，根据涂布方式的不同，有三者不同工艺可供选择。

其一是裁切+喷涂+热压整平；其二是裁切+狭缝涂布+平板转印；其三是裁切+狭缝涂布+热辊转印。在CCM制备过程中，转印同样十分关键的，其对转印膜的要求非常高，同样要求后成品的厚度偏差控制在5%以下。

PEM电解槽ME-A制备技术解析  

PEM电解槽ME-A在制备过程中，需要完成浆料制备、CCM制备、五合一制备和六合一制备等关键步骤，在CCM制备环节，根据涂布方式的不同，有“喷涂+热压整平”、“狭缝涂布+平板转印”和“狭缝涂布+热辊转印”等不同的工艺路线可供选择。  

实验室级别的ME-A制备工艺：

步就是浆料的制备。先后需要完成预混、分散、破碎、均质四大步骤。浆料制备的过程中，催化剂的分散是关键。浆料的制备有很多的讲究，投放物料的顺序以及所预混的时间，预混的温度都有关系，只有熟练掌握经验才能取得意想不到的效果。  

第二步是CCM的制备，通常用于PEM电解水制氢的质子交换膜是115、117型号的，膜的厚度一般会超过150微米，在裁切的过程中可能会遇到一些困难。做五合一裁切隆深用的双层边框，在裁切点上要选择适合自己的裁切方法，保证裁切不会产生刀痕或者是一些裁切边缘的瑕疵。  

涂布对于PEM电解槽的CCM制备来说，也是为核心的工艺环节，有多种工艺路线可供选择。  

实验室级别的CCM制备，大多采用喷涂工艺，目前隆深氢能目前交付的是1.2mX1.2m以上的喷涂设备，因为涂层和膜之间的附着力没那么强，在实现高效的喷涂流程以后，需要做热压整平。  

工业级生产则大多采用狭缝涂布工艺，这里面有“狭缝涂布+平板转印”和“狭缝涂布+热压转印”两种工艺路线可供选择。  

“我们在测试过程中发现，PEM电解槽CCM在涂布过程中，在直涂的时候，阴极侧是可以不产生溶胀。”浆料的配比尤为关键，不同的浆料配比溶胀性存在很大的差异。企业在选择浆料配方的时候可以根据自身的情况做出选择，如果做不好配比，阴极和阳极都选择转印工艺；如果浆料配比掌握得比较好，阴极侧直接涂布到质子交换膜上。  

阳极卷材涂布一般多采用转印工艺，先涂到转印膜上，再转印到质子交换膜上。在实际转印过程中，有预热部分，如果没有经过预热，转印膜就会存在残余或者转印不干净的问题。  

由于催化剂、质子膜的材料成本占比很高，为减少对材料的浪费，丁彦春建议企业在研发阶段选择小型的实验室级设备，先把产品做出来，做稳定，再上工业级的设备。