AEM（阴离子交换膜）电解水膜电极（MEA）设计

　更新时间：2024-04-03 点击量：160

一是近来AEM电解水制氢技术很热；二是刚好最近有一些高校学生找我在探讨AEM电解水膜电极MEA的制作。所以今天就根据所学习的文件做一些简单的整理，知识偏理论层面，实际操作需要大家尝试和领悟，仅供大家参考，也实在没法教大家太多！

为了形成MEA膜电极组件，催化剂可直接沉积在离子膜上，称为催化剂涂层膜 (CCM) 技术，或沉积在基底上，称为催化剂涂层基底 (CCS) 技术。对于 AEMWE 而言，基底层通常可以选择 GDL（气体扩散层）或 PTL（多孔传输层），涂覆在基底上的典型制备方法包括有湿法，即催化剂粉末和离子聚合物与适当的溶剂混合，形成稳定的浆料。浆料通过喷涂或涂刷的方式附着于 GDL 上。为了减少湿法制备MEA 过程中相关的浪费和大量溶剂的使用，目前正在研究使用其他的薄膜沉积方法，如化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、离子束溅射沉积（IBD）或磁控溅射（PVD类）都是此类薄膜沉积方法的例子。

CCS 方法通过将催化剂浆料直接沉积在适当的基底上，可以更容易地控制制造坚固稳定的催化剂层。另外，CCM 方法的好处是改善催化剂层与膜界面的接触，从而提高离子传导性，有利于降低界面接触电阻。但CCM主要的问题是，离子膜的稳定性可能会受到影响，而且在催化剂沉积过程中，膜的表面会发生变化，如溶胀。实际上CCM 和 CCS工艺制造的 MEA 之间的性能比较并不是一个简单的问题，因为许多因素，如膜的稳定性、离聚体和膜的兼容性以及沉积技术，都可能导致结果有很大的差异。

不同工艺制造的 MEA 的AEMWE 单电池性能在很大程度上取决于工作温度、催化剂类型（PGM 与非 PGM）和电解质。也有研究报告称，CCM 阴极和 CCS 阳极电极配置具有最佳性能，但由于阳极催化剂颗粒的分层，CCM 方法的电池稳定性较差。

降低离子交换膜与采用CCS工艺的阳极之间的界面接触电阻的另一种策略是在 PTL 和 MEA 之间加入微孔层 (MPL)，如下图所示：

图例说明：不同AEMWE电池的原理图，包括：

(A)仅PTL。

(B)在阳极和阴极上添加NiMPL-PTL。

(C)在60°C下测量的AEMWE电池性能，用于进水，配置PTL/PTL(商用Ni网)和NiMPL-PTL/NiMPLPTL。

(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。

由于涉及许多变量，确定影响 MEA 和催化剂层的制备参数在某种程度上是需要采用类似采用DOE的试验方法。从 PEMWE（电解水）和 FC（燃料电池）中获得的一些知识可以推广应用到 AEMWE。此外，MEA 组件的分子动力学建模与实验验证相结合，可以更快地推动该领域的发展。一般来说，热压 MEA 有利于增加催化剂层与阴离子交换膜（ AEM ）之间的接触，但 AEM 可能会变干。AEM&AEI的Tg值是决定热压温度的重要考量因素。与FC（燃料电池）的气体进料相比，需要控制热压条件以避免AEM被压缩，特别是对于液体进料的AEMWEs，需要在120 ~195°C, 50 ~300秒，压力范围在2~200 kg/cm²之间。

MEA 组件也需要同步优化，以解决水管理等因素，避免干涸和水淹。基于 PEM（质子交换膜）的 FC（燃料电池）和 WE（电解水）已经解决了其中的许多问题，但在碱性条件下，阳极和阴极产生和消耗的水的不平衡情况要比酸性条件下严重。使用 1 摩尔 KOH 碱液做电解质时，阳极的 OER 所需的 OH^- 供应充足，而纯水进料的 OER 则取决于通过阴极发生的水裂解反应供应 OH^-。在 AEMWE 的电化学反应中，阳极产生 1 摩尔 H₂O，阴极消耗 2 摩尔 H₂O，而对于 PEMWE，阳极消耗 1 摩尔 H₂O，阴极消耗 0 摩尔 H₂O。尽管 H₂O 在阳极产生，在阴极消耗，但阳极进水似乎已成为 AEMWE 的进水模式。这种模式减少了对 H₂O 和 H₂ 分离的需求，因此可从电解池中获得纯度更高的H₂。然而，通过向阴极和阳极同时给入电解质，可达到最佳的电池性能和最高的工作电流密度，这也降低了阳极脱水的风险，并增加了向阴极的水传输(属于双循环平衡式）。未来的战略是定制有序的 MEA 和传输层结构，将液体和气体导入到特定的区域，这对于设计新颖有效的电极结构非常重要。这可能包括沿面内（电极到电极）方向调整催化剂层的分层孔隙率，以及利用可憎水甚至亲水的改性剂。液体流速和 KOH 浓度的优化都与实际 AEMWE 的设计有关，但迄今为止研究还有限。

来源：氢眼所见
注：已获得转载权

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