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PEM 電解池單體（cell）包含多個組件。具有電化學活性的核心部件是膜電極組件（Membrane Electrode Assemblies，MEA），由一層 SPE 膜（固態聚合物交換膜，這里指的是質子交換膜）組成，膜的兩側分別涂有兩層多孔電催化劑，一層位于陽極（連接電源正極），用于析氧反應（OER），另一層位于陰極（連接電源負極），用于析氫反應（HER）。【在膜的兩側涂上催化劑的膜電極制備工藝稱為CCM（catalyst-coated membrane），催化劑涂在基材上的膜電極制備工藝為CCS（catalyst-coated substrates）】

MEA 通常夾在兩個由燒結鈦顆粒制成的多孔電流集流元件（電流收集器）之間。【多孔元件起到了電流收集和氣體溢出的作用，在電解過程中，電流在電氣回路傳輸電子，在電解池回路部為離子的傳導過程（這里的離子為質子）。電解過程中產生的氣體需要盡快地從反應界面中脫離，就要有相應的結構來實現氣體的快速脫落。】兩個具有空心溝槽（通道）的雙極板用于向電池傳輸電流，并將相鄰的兩個電池隔開。通道用于將水輸送到陽極，并收集每個電池槽中的液氣混合物。電流收集器和電催化層之間的接觸點至關重要【這個電的接觸，影響著接觸電阻的大小。接觸電阻大，會導致在接觸點的電壓降較大，電解能耗高】；接觸點之間的平均距離必須足夠小（通常為幾微米），以便在接口處獲得良好的電流線分布。【接觸電阻直接影響了電解能耗，較低的接觸電阻需要有足夠小的間距，但間距太小，可能導致MEA催化劑被擠壓破壞。這是一個科學的工程設計和精密的機械制造和加工的產業問題。】端板與外部直流電源相連。電池的密封需要機械軟密封墊。

PEM制氫|PEM電解池單體概述

我們面臨的挑戰是如何優化電池設計，使得：

(i) 非 MEA 電池組件（雙極板和電流分配器）的電子電阻盡可能低，以便外部施加的電池電壓僅用于克服 MEA 電阻；

(ii) 可以最小的壓降將液態水泵入陽極室；

(iii) 液態水可以通過孔隙均勻地轉移到陽極，同時讓氣態氧從陽極逆時針流向陽極雙極板。在陰極區，情況較為簡單，因為液態水（電滲阻力）和氣態氫都是從陰極到陰極雙極板的線性流動。所有這些限制條件主要通過控制電流分布器的孔隙結構來實現，這必須考慮到最大電流密度（氣體產生率）和額定工作壓力（氣泡直徑隨壓力變化）。

PEM制氫|PEM電解池單體概述

PEM 水電解槽示意圖（橫截面圖，圖片來源于相關公司技術文件和文獻）

1 - PEM，即質子交換膜；2 - 電催化層（a - 陽極，c - 陰極）；3 - 多孔集流器（a - 陽極，c - 陰極）；4 - 雙極板（a - 陽極一側，c - 陰極一側）；5 - 集流器與電解層之間的接觸點；d - 集流器與催化層之間接觸點的平均距離；6 - 具有緊密排列的六角形晶格顆粒層的片段。

PEM制氫|PEM電解池單體概述

原文始發于微信公眾號（新能源電子電氣）：PEM制氫|PEM電解池單體概述

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