今天簡(jiǎn)單介紹一下AEM電解水電堆結(jié)構(gòu)問(wèn)題、以及如何進(jìn)水和BOP的問(wèn)題。

1、電堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

以下用一個(gè)圖例簡(jiǎn)介AEM電堆常用的結(jié)構(gòu)以及材料，當(dāng)然這些部件都可以做出優(yōu)化和替換。下圖是一個(gè)電解池單元的剖切圖以及相關(guān)尺寸，見(jiàn)下圖1：

圖1：AEM單電池示意圖

下圖2為多電池組合示意圖：

圖2：AEM多電池組堆示意圖

2、關(guān)于如何進(jìn)液?jiǎn)栴}

在 AEM 電解槽中，液體電解質(zhì)既可通過(guò) (i) 陽(yáng)極室和陰極室（平衡式）；也可通過(guò)(ii) 陽(yáng)極室或 (iii) 陰極室進(jìn)行循環(huán)（差壓式）。還有一種特殊情況是向兩個(gè)隔室注入不同成分的液流。典型的情況是陰極注入水，陽(yáng)極注入氫氧化物等電解質(zhì)溶液。在傳統(tǒng)的工業(yè)堿性電解槽中，通常液態(tài)電解質(zhì)流經(jīng)兩個(gè)電極隔室。這主要是通過(guò)使用基于多孔隔膜的分離器實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，只向一個(gè)電極室進(jìn)液會(huì)導(dǎo)致電解液大量交叉。如果使用致密聚合物陰離子選擇性膜作為分離器，交叉情況就不同了。液態(tài)電解質(zhì)只需注入一個(gè)電極隔室，不會(huì)出現(xiàn)明顯的交叉從而導(dǎo)致氣體交叉。這可以簡(jiǎn)化液體電解質(zhì)的循環(huán)（BOP），甚至可以簡(jiǎn)化氣體分離和處理過(guò)程（BOP），因?yàn)檫@樣可以獲得更高純度的氣體。通常來(lái)看電解液流經(jīng)兩個(gè)隔室代表了最先進(jìn)的技術(shù)。曾經(jīng)有研究測(cè)試了不同的進(jìn)水方法，觀察到陰極室充滿水，液堿（電解質(zhì)）在陽(yáng)極側(cè)循環(huán)時(shí)電解池穩(wěn)定性最好。當(dāng)水只通過(guò)其中一個(gè)電極室循環(huán)時(shí)，如果水只通過(guò)陰極或陽(yáng)極一側(cè)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行一段時(shí)間后電阻增加的現(xiàn)象。另外還有人進(jìn)行了另一項(xiàng)直接比較。在 1mol/dm3 KOH 溶液通過(guò)兩個(gè)電極區(qū)循環(huán)的情況下，電池性能最佳。

陰極反應(yīng)是在消耗兩個(gè) H2O 分子和釋放兩個(gè) OH- 離子的情況下形成 H2 分子。如果只向陰極區(qū)注入液態(tài)電解質(zhì)，OH- 離子就會(huì)在水分子形成的溶解殼的伴隨下穿過(guò)膜輸送到陽(yáng)極區(qū)。陽(yáng)極的析氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生額外的 H2O 分子。因此，陽(yáng)極室內(nèi)環(huán)境的 pH 值將接近中性，無(wú)法滿足確保鎳基陽(yáng)極穩(wěn)定性的 pH 值高于 9 的條件。因此，這種方案無(wú)法確保電池的腐蝕穩(wěn)定性。

另外，液態(tài)電解質(zhì)也可以只輸入陽(yáng)極室。在這種情況下，可以獲得純度更高的 H2（氫氣通常是我們要的主要產(chǎn)品）。電解槽的這種構(gòu)造還能使電解槽更容易用作電化學(xué)壓縮機(jī)（電化學(xué)過(guò)程增壓）。電極反應(yīng)的性質(zhì)確保了兩個(gè)電極的 pH 值穩(wěn)定。通過(guò)親水膜，可確保向陰極供水（水在陰極消耗）。在高電流負(fù)荷下，理論上這可能與膜的局部或部分干燥有關(guān)。這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致膜降解。

總之，從 AEM性能的角度來(lái)看，液體電解質(zhì)在兩個(gè)電極室中循環(huán)是有益的（采用平衡式）。然而，即使只通過(guò)陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行循環(huán)，也能得到較高的電密。如前所述，液體電解質(zhì)只通過(guò)一個(gè)電極室進(jìn)行循環(huán)具有簡(jiǎn)化BOP的優(yōu)勢(shì)，因此，液體電解質(zhì)只通過(guò)陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行循環(huán)是未來(lái)最先進(jìn)裝置的候選方案。

3、關(guān)于AEM電解系統(tǒng)的BOP（為典型的陽(yáng)極側(cè)進(jìn)液模式）在陰離子交換膜水電解槽中，干陰極操作是一種理想的操作模式，可以最大限度地減少生成氫氣的污染，保證氫氣純度和簡(jiǎn)化BOP。然而，在這種運(yùn)行條件下的水管理對(duì)保持可靠的性能和耐用性非常有挑戰(zhàn)性。

下圖3為純水性AEM的BOP：

圖3：AEM純水型BOP示意圖

下圖4為液堿型AEM的BOP：

圖4：AEM液堿型BOP示意圖

下圖5為優(yōu)化后的純水型AEMBOP圖：

圖5：優(yōu)化后AEM液堿型BOP示意圖

下圖6為優(yōu)化后的液堿型AEMBOP圖：

圖6：優(yōu)化后AEM純水型BOP示意圖

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