Nafion-117是一種來(lái)自美國(guó)杜邦公司的全氟磺酸聚合物，因其優(yōu)異的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性以及高質(zhì)子導(dǎo)電性而被廣泛選擇作為水電解中的質(zhì)子導(dǎo)電膜。在使用前，膜經(jīng)過(guò)全面的凈化過(guò)程：首先，將其在3%的過(guò)氧化氫中煮沸去除有機(jī)雜質(zhì)，然后用蒸餾水（純凈水）沖洗。然后在1mol 硫酸中煮沸以去除任何金屬雜質(zhì)，并將膜轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子化(H+)狀態(tài)。最后的清洗步驟是在蒸餾水中煮沸，以確保清潔干凈。
1.2膜和電極組件(MEA)的制備
催化劑涂層膜(CCM)制造催化劑油墨配方：在質(zhì)子交換膜上應(yīng)用陽(yáng)極和陰極催化劑層有多種工藝技術(shù)，對(duì)于較小的表面膜電極組件(MEAs)，噴涂是好方法。對(duì)于較大型的 MEA（通常為數(shù)百平方厘米或更多），刮刀涂布或絲網(wǎng)印刷因其效率、一致性和涂層的均勻性而受到青睞。基于對(duì)墨水配方的廣泛研究，我們選擇了一種墨水組合，其陽(yáng)極負(fù)載為3 mg/cm2的Pt/Ru/IrO2 (Duralyst®)的商業(yè)電催化劑混合物，陰極負(fù)載為類(lèi)似的PtB (Duralyst®)，以促進(jìn)氫的析出。Pt-Ru-IrO2 合金作為鉑的陽(yáng)極電催化劑，其穩(wěn)定性和功效已得到認(rèn)可。由于鉑具有優(yōu)異的水電解性能，因此仍然是陰極的好選。這些催化劑與 Nafion® 離子膜（在水和乙醇中的含量為 5 wt.%，杜邦 D520）一起被精確稱(chēng)重，并以 1:1 的體積比超聲分散在去離子水和異丙醇的混合物中。電催化層的組成包括陽(yáng)極10 wt.%的離子聚合物和陰極 15 wt.%的離子聚合物，其負(fù)載由下式確定。
陽(yáng)極和陰極催化劑的重量由式給出：
混合后，油墨進(jìn)行高剪切攪拌混合。然后使用連接到空氣壓縮機(jī)的噴槍將陽(yáng)極催化劑墨水噴涂在預(yù)制備的尺寸的Nafion膜的一側(cè)，并使其干燥。陰極油墨以類(lèi)似的方式應(yīng)用于反面。按照這些步驟，PEM電解槽與MEA組裝在一起，具有預(yù)制備的活性面積。
2、PEMWE單電池組裝和活化
如圖1a所示，PEM水電解槽的組裝涉及仔細(xì)選擇墊圈及其厚度，以消除運(yùn)行過(guò)程中任何潛在可能的氣體和水泄漏。MEA由兩個(gè)聚四氟乙烯墊圈封閉，每個(gè)厚度為0.22mm ，位于精密加工的鈦級(jí)單極板之間。為了確保最佳組裝，使用數(shù)字千分尺在九個(gè)均勻間隔的點(diǎn)測(cè)量催化劑涂層膜(CCM)的厚度，這些測(cè)量的平均值選擇襯墊厚度，如圖1b所示。
說(shuō)明：
Gasket thickness：邊框膜厚度
Height of the flow channel rib：流道凸起高度
Difference in thickness after compression：壓縮后的厚度差異
Electrode thickness along with membrane：沿著膜的電極厚度
a、計(jì)算基于pem的單電池水電解槽襯墊厚度的概念表示；
b、俯視圖為構(gòu)建PEM水電解槽單個(gè)電解槽的施工順序：(1)水，氣體入口和出口端口，(2)擰緊電解槽的螺桿，(3,9)陰極和陽(yáng)極板，(4,8)陰極和陽(yáng)極墊片，(5,7)陰極和陽(yáng)極集流器，(6)膜電極組件在PEM水電解槽(PEMWEs)中，管理水流對(duì)效率至關(guān)重要。水被引導(dǎo)通過(guò)電解槽的流場(chǎng)，以確保在陽(yáng)極的活性表面上均勻分布。然而，在電解過(guò)程中，水被消耗，并以每摩爾水半摩爾的速度被氧氣取代，這種消耗帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題包括，當(dāng)水耗盡時(shí)，流速降低，導(dǎo)致反應(yīng)物輸送不一致，并可能被陽(yáng)極的氧氣氣泡堵塞，從而導(dǎo)致電池內(nèi)電流分布不均勻。選擇合適的流場(chǎng)模式對(duì)電解槽的性能至關(guān)重要。陽(yáng)極側(cè)的交錯(cuò)模式往往由于水分布不均勻而導(dǎo)致性能不佳，從而導(dǎo)致電解電壓升高。相反，蛇形流場(chǎng)模式優(yōu)于平行流場(chǎng)模式，PEMWEs中的蛇形流場(chǎng)模式和交叉流場(chǎng)模式都比平行流場(chǎng)模式表現(xiàn)出更高的效率。在我們的研究中，我們?cè)陉?yáng)極和陰極的鈦板上選擇了級(jí)聯(lián)流場(chǎng)布局，確保了均勻的水流過(guò)陽(yáng)極，從而導(dǎo)致更平衡的電流密度，提高了電解槽的整體效率。下圖2顯示了所采用的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸和面積，通道寬度和深度為1mm，擋板之間由0.5 mm的凹槽隔開(kāi)。實(shí)驗(yàn)中，電解池及其流動(dòng)模式是垂直設(shè)置的，由于垂直流場(chǎng)的方向，有助于通過(guò)浮力排出氣體。圖2：PEM水電解槽部件三維視圖示意圖；插圖描繪了流場(chǎng)模式和膜電極組裝的示意圖來(lái)自瑞典Applied多孔技術(shù)公司的多孔鍍鉑鈦氈在兩個(gè)隔間中充當(dāng)氣體擴(kuò)散層。這種由燒結(jié)粉末制成的 1 毫米厚的鈦絨在兩塊鋁夾板之間的裝配中發(fā)揮了作用，兩塊鋁夾板（端板）由 12 對(duì)螺母和螺栓（螺桿）以 8 牛米的扭矩固定，構(gòu)成了 PEMWE 電池的固定框架。
在測(cè)試過(guò)程中遇到開(kāi)路或短路問(wèn)題時(shí)，電池裝配的調(diào)整（包括墊片厚度和螺釘扭矩）至關(guān)重要，這些問(wèn)題通常是由于電池內(nèi)部壓力不均勻造成的。扭矩扳手可確保以精確的扭矩?cái)Q緊螺釘，同時(shí)調(diào)整墊片的尺寸和數(shù)量，以保持氣體擴(kuò)散層（GDL）壓力均勻。電解槽的設(shè)計(jì)包括加熱、溫度控制以及用于引入反應(yīng)物和去除產(chǎn)物的端口。為達(dá)到峰值和穩(wěn)定的性能，必須進(jìn)行活化處理，包括將去離子水在電解槽中循環(huán) 20 至 30 分鐘，以適當(dāng)濕潤(rùn)電解質(zhì)膜。
來(lái)源：氫眼所見(jiàn)
注：已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)
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朱穎
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