AEM（陰離子交換膜）電解水膜電極（MEA）設計

一是近來AEM電解水制氫技術很熱；二是剛好最近有一些高校學生找我在探討AEM電解水膜電極MEA的制作。所以今天就根據所學習的文件做一些簡單的整理，知識偏理論層面，實際操作需要大家嘗試和領悟，僅供大家參考，也實在沒法教大家太多！

為了形成MEA膜電極組件，催化劑可直接沉積在離子膜上，稱為催化劑涂層膜 (CCM) 技術，或沉積在基底上，稱為催化劑涂層基底 (CCS) 技術。對于 AEMWE 而言，基底層通常可以選擇 GDL（氣體擴散層）或 PTL（多孔傳輸層），涂覆在基底上的典型制備方法包括有濕法，即催化劑粉末和離子聚合物與適當的溶劑混合，形成穩定的漿料。漿料通過噴涂或涂刷的方式附著于 GDL 上。為了減少濕法制備MEA 過程中相關的浪費和大量溶劑的使用，目前正在研究使用其他的薄膜沉積方法，如化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）、離子束濺射沉積（IBD）或磁控濺射（PVD類）都是此類薄膜沉積方法的例子。

降低離子交換膜與 采用CCS工藝的陽極之間的界面接觸電阻的另一種策略是在 PTL 和 MEA 之間加入微孔層 (MPL)，如下圖所示：

圖例說明：不同AEMWE電池的原理圖，包括：

MEA 組件也需要同步優化，以解決水管理等因素，避免干涸和水淹。基于 PEM（質子交換膜） 的 FC（燃料電池） 和 WE（電解水） 已經解決了其中的許多問題，但在堿性條件下，陽極和陰極產生和消耗的水的不平衡情況要比酸性條件下嚴重。使用 1 摩爾 KOH 堿液做電解質時，陽極的 OER 所需的 OH^- 供應充足，而純水進料的 OER 則取決于通過陰極發生的水裂解反應供應 OH^-。在 AEMWE 的電化學反應中，陽極產生 1 摩爾 H₂O，陰極消耗 2 摩爾 H₂O，而對于 PEMWE，陽極消耗 1 摩爾 H₂O，陰極消耗 0 摩爾 H₂O。 盡管 H₂O 在陽極產生，在陰極消耗，但陽極進水似乎已成為 AEMWE 的進水模式。這種模式減少了對 H₂O 和 H₂ 分離的需求，因此可從電解池中獲得純度更高的H₂。 然而，通過向陰極和陽極同時給入電解質，可達到最佳的電池性能和最高的工作電流密度，這也降低了陽極脫水的風險，并增加了向陰極的水傳輸(屬于雙循環平衡式）。未來的戰略是定制有序的 MEA 和傳輸層結構，將液體和氣體導入到特定的區域，這對于設計新穎有效的電極結構非常重要。這可能包括沿面內（電極到電極）方向調整催化劑層的分層孔隙率，以及利用可憎水 甚至親水的改性劑。液體流速和 KOH 濃度的優化都與實際 AEMWE 的設計有關，但迄今為止研究還有限。

來源：氫眼所見
注：已獲得轉載權