Nafion-117是一種來自美國杜邦公司的全氟磺酸聚合物，因其優異的化學和機械穩定性以及高質子導電性而被廣泛選擇作為水電解中的質子導電膜。在使用前，膜經過全面的凈化過程：首先，將其在3%的過氧化氫中煮沸去除有機雜質，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，并將膜轉變為質子化(H+)狀態。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：在質子交換膜上應用陽極和陰極催化劑層有多種工藝技術，對于較小的表面膜電極組件(MEAs)，噴涂是好方法。對于較大型的 MEA（通常為數百平方厘米或更多），刮刀涂布或絲網印刷因其效率、一致性和涂層的均勻性而受到青睞。基于對墨水配方的廣泛研究，我們選擇了一種墨水組合，其陽極負載為3 mg/cm2的Pt/Ru/IrO2 (Duralyst®)的商業電催化劑混合物，陰極負載為類似的PtB (Duralyst®)，以促進氫的析出。Pt-Ru-IrO2 合金作為鉑的陽極電催化劑，其穩定性和功效已得到認可。由于鉑具有優異的水電解性能，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極10 wt.%的離子聚合物和陰極 15 wt.%的離子聚合物，其負載由下式確定。
陽極和陰極催化劑的重量由式給出：
混合后，油墨進行高剪切攪拌混合。然后使用連接到空氣壓縮機的噴槍將陽極催化劑墨水噴涂在預制備的尺寸的Nafion膜的一側，并使其干燥。陰極油墨以類似的方式應用于反面。按照這些步驟，PEM電解槽與MEA組裝在一起，具有預制備的活性面積。
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選擇墊圈及其厚度，以消除運行過程中任何潛在可能的氣體和水泄漏。MEA由兩個聚四氟乙烯墊圈封閉，每個厚度為0.22mm ，位于精密加工的鈦級單極板之間。為了確保最佳組裝，使用數字千分尺在九個均勻間隔的點測量催化劑涂層膜(CCM)的厚度，這些測量的平均值選擇襯墊厚度，如圖1b所示。
說明：
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、俯視圖為構建PEM水電解槽單個電解槽的施工順序：(1)水，氣體入口和出口端口，(2)擰緊電解槽的螺桿，(3,9)陰極和陽極板，(4,8)陰極和陽極墊片，(5,7)陰極和陽極集流器，(6)膜電極組件在PEM水電解槽(PEMWEs)中，管理水流對效率至關重要。水被引導通過電解槽的流場，以確保在陽極的活性表面上均勻分布。然而，在電解過程中，水被消耗，并以每摩爾水半摩爾的速度被氧氣取代，這種消耗帶來了各種挑戰。這些問題包括，當水耗盡時，流速降低，導致反應物輸送不一致，并可能被陽極的氧氣氣泡堵塞，從而導致電池內電流分布不均勻。選擇合適的流場模式對電解槽的性能至關重要。陽極側的交錯模式往往由于水分布不均勻而導致性能不佳，從而導致電解電壓升高。相反，蛇形流場模式優于平行流場模式，PEMWEs中的蛇形流場模式和交叉流場模式都比平行流場模式表現出更高的效率。在我們的研究中，我們在陽極和陰極的鈦板上選擇了級聯流場布局，確保了均勻的水流過陽極，從而導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結構，達到設計的尺寸和面積，通道寬度和深度為1mm，擋板之間由0.5 mm的凹槽隔開。實驗中，電解池及其流動模式是垂直設置的，由于垂直流場的方向，有助于通過浮力排出氣體。圖2：PEM水電解槽部件三維視圖示意圖；插圖描繪了流場模式和膜電極組裝的示意圖來自瑞典Applied多孔技術公司的多孔鍍鉑鈦氈在兩個隔間中充當氣體擴散層。這種由燒結粉末制成的 1 毫米厚的鈦絨在兩塊鋁夾板之間的裝配中發揮了作用，兩塊鋁夾板（端板）由 12 對螺母和螺栓（螺桿）以 8 牛米的扭矩固定，構成了 PEMWE 電池的固定框架。
在測試過程中遇到開路或短路問題時，電池裝配的調整（包括墊片厚度和螺釘扭矩）至關重要，這些問題通常是由于電池內部壓力不均勻造成的。扭矩扳手可確保以精確的扭矩擰緊螺釘，同時調整墊片的尺寸和數量，以保持氣體擴散層（GDL）壓力均勻。電解槽的設計包括加熱、溫度控制以及用于引入反應物和去除產物的端口。為達到峰值和穩定的性能，必須進行活化處理，包括將去離子水在電解槽中循環 20 至 30 分鐘，以適當濕潤電解質膜。
來源：氫眼所見
注：已獲得轉載權
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朱穎
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