三種WEs的原理圖：

(a)傳統(tǒng)的堿性有限間隙WE (AWE)。

?(b)使用H+導(dǎo)電膜在酸性條件下運(yùn)行的零間隙PEMWE。

(c)使用OH?導(dǎo)電膜的零間隙AEMWE。其目標(biāo)是使用無貴金屬的催化劑作為AEMWE的陰極和陽極。

專業(yè)術(shù)語“有限間隙”和“零間隙”與發(fā)生O2析出反應(yīng)（OER）和H2析出反應(yīng)（HER）的陽極和陰極之間的隔板距離有關(guān)。有限間隙堿性WE使用多孔隔板和水溶液，例如wt為30%KOH為導(dǎo)電溶液，（上圖a）。這是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，自20世紀(jì)50年代末以來已在MW規(guī)模上部署。堿性條件（特別是pH>13）下的一個(gè)眾所周知的優(yōu)點(diǎn)是，與需要鉑族金屬催化劑的酸性介質(zhì)不同，非鉑族金屬（非PGM）基催化劑對(duì)OER和HER有較好的穩(wěn)定性。通常，高表面積雷尼鎳電極用于無限間隙堿性電解槽。使用如Zircon and Perl UTP 500等多孔隔膜，需要陽極和陰極之間的較大距離（>2mm），以減少H2和O2氣體交叉，但由于離子電阻直接依賴于電解質(zhì)厚度，因此較大距離伴隨著高歐姆電阻。也限制了可達(dá)到的最大電流密度（jmax）。

通常，有限間隙堿性WE的電流密度值為0.25A/cm2，這對(duì)于與可再生能源（如風(fēng)能）的耦合集成來說太低了，可再生能源需要能夠接受數(shù)A/cm2范圍內(nèi)的電流密度以及快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的ES技術(shù)。正在開發(fā)新的WE設(shè)計(jì)，其中包括一個(gè)電極，該電極與分離器（隔膜）之間的間隙最小甚至為零。探索的實(shí)例是與例如wt24%KOH電解質(zhì)組合的堿摻雜離子溶劑化膜。使用KOH摻雜的離子溶劑化膜和雷尼鎳電極的單電池測(cè)試在1.7A/cm2的電流密度值下產(chǎn)生1.8V的低電池電壓。

由于采用了低H2和O2交叉的聚合物薄膜，零間隙WE設(shè)計(jì)降低了內(nèi)阻。質(zhì)子交換膜(PEMs，也稱為陽離子交換膜)和陰離子交換膜(AEMs)分別用于酸性(上圖b)和堿性(上圖c)零間隙WEs。因此，零間隙WE會(huì)比有限間隙電解槽獲得更高的電流密度值。

對(duì)于商用PEMWE，使用薄至50?200μm的PEM時(shí)，電流密度值為1~3 A/cm2，壽命可達(dá)15000?20000小時(shí)。PEMWE要比AEMWE成熟得多。這與PEM（通常由Nafion和Aquivion商標(biāo)下的全氟磺酸組成）的穩(wěn)定性顯著高于陰離子交換膜（AEM）的事實(shí)有關(guān)，盡管Nafion的穩(wěn)定性限于80°C操作。事實(shí)上，使用Nafion隔膜（電解質(zhì)）的PEMWE通常操作溫度為60°C。僅在最近幾年，AEMWE單電池在數(shù)A/cm2的電密范圍內(nèi)運(yùn)行，AEM穩(wěn)定性的提高層面已經(jīng)取得了不少成就，但耐久性和性能仍需要進(jìn)一步證明。

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