AEM多孔传输层与双极板
多孔传输层(porous transport layer, PTL)又称气体/液体扩散层、集电器,位于双极板与催化剂层中间,主要起到电解质、气体传输以及电子和热量传导的作用。在 PEM 电解槽中,由于阳极侧高电位、富氧和强酸性的恶劣环境,多采用价格昂贵的钛基材料 PTL。而在 AEM 电解槽中,由于弱碱性条件,阳极 PTL 通常采用价格低廉的泡沫镍,阴极可采用泡沫镍或碳布,极大降低了成本。
近期有研究表明,PTL 对 AEM 电解性能起关键作用,因此,研究高导电性和导热性、强疏气/亲水性、良好机械特性和高耐腐蚀性的 PTL 至关重要。目前研究主要集中于 PTL 形态、孔隙率的优化,新型材料的开发等方面。此外,可通过电解槽中传热传质研究,优化电解槽的热管理,进一步提高电解性能。
双极板是水电解槽中的多功能组件,主要作用是连接电堆中的相邻电池,确保电荷载流子在相邻电池间传输,供应反应物(H2O)和去除气态产物(H2和 O2),以及为集电器、膜和电极等提供机械支撑。此外,双极板在热量传输和水管理中也发挥重要作用。在 PEM 电解槽,同样由于强酸性的恶劣环境,BP 仍需使用价格高昂的 Ti 板,以保证导热性、导电性、耐腐蚀性和化学稳定性。而在 AEM 电解中,目前主要是继承 ALK 电解技术的 BP,通常由镀镍不锈钢制成。
值得关注的是,双极板成本占电解槽总成本的 50%,随着纯水 AEM 电解技术的开发,可设计成本更低的 BP,以进一步降低 AEM电解槽的总体成本,提高竞争优势。此外,双极板作为电解质,气体的传输端口,其传热传质研究非常重要。在 PEMWE 中,有研究通过合理设计不同的流道结构如平行流场、单蛇形流场、多蛇形流场等,也有研究通过流道建模分析了通道高度、堵块、脊宽度、流道边界等影响,旨在寻找最优的流道结构和参数,以最小化流阻,及时排出电解反应产生氢气和氧气,减少传质阻力,降低电压损耗。这些研究为 AEM 电解中高效 BP 的设计提供了思路。
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