AEM电解水系统技术优化：电堆架构、平衡装置及进液方案

阴离子交换膜（AEM）电解槽的三大关键技术要素：电堆结构设计、进液方式选择及平衡装置（BOP）配置优化。

一、AEM电解槽电堆结构解析

1.1 单体电池架构

典型AEM电解单元采用多层复合结构（图），主要包含：

- 双极板：承担电流传导与流场分布功能

- 电极层：镍基催化剂涂层实现高效析氢/析氧

- 阴离子交换膜：实现OH-选择性传导

- 密封系统：确保气液介质严格隔离

图：AEM单电池示意图

1.2 多电池集成方案

工业级装置通过层叠式组堆实现电压扩展（图2），关键技术特征包括：

- 端板压装系统：维持接触电阻稳定性

- 流场拓扑优化：保障电解液均布性

- 电势梯度管理：降低边缘效应影响

图：AEM多电池示意图

二、AEM电解槽进液方式对比分析

2.1 进液模式分类

1. 平衡式循环：阴阳极室同步通入电解液

2. 差压式循环：单侧进液（阳极或阴极）

3. 差异化介质注入：两极室通入不同组分液体（如阴极注水/阳极注碱液）

2.2 技术特性比较

实验验证结论：

- 双室循环工况下（1M KOH溶液），电池阻抗最低（＜0.25Ω·cm²）

- 单侧进液运行300h后，膜电极接触电阻上升幅度达18%-25%

- 阴极纯水/阳极碱液方案可维持阳极pH＞9，实现＞5000h耐久性测试

2.3 进液方案选择建议

虽然双室循环具备最佳电化学稳定性，但单阳极循环方案因具备以下优势成为主流发展方向：

1.BOP系统简化30%-40%

2. 氢气产物无需二次纯化

3. 适配电化学压缩技术（工作压力＞3MPa）

三、AEM系统平衡装置（BOP）配置优化

3.1 基础架构对比

图：AEM纯水型BOP示意图

图：AEM液碱型BOP示意图

3.2 优化方案演进

- 液碱系统升级版：

- 集成在线碱浓度监测（精度±0.05mol/L）

- 增设膜脱气装置（氧含量＜10ppm）

图：优化后AEM液碱型BOP示意图

- 纯水系统升级版：

- 多级反渗透预处理（电阻率＞15MΩ·cm）

- 阴极自湿润流道设计（润湿角＜30°）

图：优化后AEM纯水型BOP示意图

技术发展展望：

随着新型交联型阴离子膜（溶胀率＜5%）与三维多孔传输层（孔隙率＞70%）的应用突破，单阳极循环配合纯水BOP的系统方案有望实现＞3A/cm²@2V的工业级应用指标。