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什么是PEM电解，PEM电解槽的结构是怎样的？
PEM（聚合物电解质膜）电解是一种利用电能将水分解为氢气和氧气的过程，其中聚合物电解质膜（PEM）将两个电极（阳极和阴极）隔开。
PEM电解的核心是堆栈，它由多个PEM电解池组成，每个电解池又由一个膜电极组件（MEA）和两个包围其的双极板（BPP）构成。与PEM燃料电池类似，双极板是PEM电解槽中功能上至关重要的组件。它们负责分配和收集反应介质，传导电流，并有效密封介质通道以及将单个电池彼此隔离并隔绝于外部环境。此外，它们还与电池密封件共同承担着安全密封氢气的重要任务，其中部分氢气产生的压力超过30巴。
因此，双极板必须满足极高的要求：它们必须具备耐腐蚀性、导电性和机械稳定性，以承受电解过程中的严苛条件，因为高温、高压和高压电池电压会形成极具腐蚀性的环境。同时，双极板的生产是PEM电解过程中决定性的成本因素之一。
PEM电解用的双极板是如何设计和制造的？
双极板的开发与制造基于PEM燃料电池技术的丰富经验。金属双极板因其成本效益、功率密度以及适应严苛运行条件的优势而被广泛采用。它们通常通过冲压等精密成形工艺，结合高度自动化和集成的生产线进行生产。先进的模具设计理念（如级进模）能够实现最短的循环时间，并支持符合汽车行业标准的可扩展生产。
EKPO Fuel Cell Technologies等制造商在完全集成的生产环境中应用这些方法，将金属成形、涂层和密封技术整合到内部制造流程中。
双极板的关键功能元件包括密封系统和集成流场。流场由压印的通道结构组成，可实现均匀的水分布以及高效的氢气和氧气排出。为确保耐久性和性能，金属板经过涂层处理，在保持导电性的同时防止腐蚀。
PEM电解槽单元的设计与燃料电池有何不同，又面临哪些挑战？
与燃料电池堆不同，电解槽的单元通常并非由两块介质密封的焊接半板构成。相反，除了带有通道结构的双极板外，它们还包含其他层，用于处理单元内的气体排放和压力分布。由于氢气侧的压力在30巴及以上，膜必须由所谓的压力传输层（PTL）提供支撑。结合由网格、膨胀金属或多孔烧结结构制成的气体分布结构，这导致了复杂的多层设计，在协调、设计和经济高效的制造方面带来了诸多挑战。
为应对这些挑战，设计方法侧重于功能集成与灵活制造。例如，EKPO Fuel Cell Technologies等制造商开发了将结构支撑、密封和流体管理整合到更少组件中的方案，从而降低系统复杂性并简化装配过程。
密封系统和材料在PEM电解中发挥什么作用？
密封对于介质分离、电池的机械稳定以及防止反应产物泄漏至关重要。密封材料通常基于专门开发的弹性体，这些材料经过适应以满足质子交换膜电解的工作条件。在某些情况下，这些材料由企业内部开发和优化，例如ElringKlinger和EKPO等公司便是如此。
通过将双极板与支撑框架或压力传输层等结构元件进行一体化设计，可进一步提升密封方案的性能。采用源自燃料电池领域的凸缘式密封技术，不仅能实现耐高压密封，还能简化电解槽内的水和气体分布。依托材料专业知识和制造工艺，对密封系统进行精准设计，将直接影响运行安全和使用寿命。
示例：EKPO的双极板
双极板采用哪些材料？材料研发正朝着何种方向发展？
目前，钛因其耐腐蚀性而被广泛用于制造双极板。然而，针对成本更低的材料（如结合了合适涂层的不锈钢）的研发正在持续进行中。
表面涂层在提供防腐保护的同时确保高导电性，发挥着至关重要的作用。拥有材料和涂层技术专长的制造商，如EKPO燃料电池技术公司，正致力于推动这些材料向未来应用的过渡。
双极板采用哪些材料？材料研发呈现何种发展趋势？
与其他电解技术相比，质子交换膜（PEM）电解技术的特点是占地面积小、负载变化时的动态响应能力强，且氢气出口压力高。
由于其高功率密度、灵活性和可扩展性，PEM电解技术特别适合电力供应波动的系统。因此，它非常适合与风能和太阳能等可再生能源相结合。
质子交换膜电解技术的应用前景十分广阔。例如，该技术可用于：
- 各行业的脱碳：质子交换膜电解产生的氢气用途广泛，例如在化工、金属加工、玻璃制造和食品生产等领域。
- 电动出行：PEM电解技术为燃料电池车辆提供绿色氢气，助力实现零排放出行，兼具长续航里程与短加注时间，包括卡车或船舶等应用场景。
- 储能：PEM电解槽也可用于分散式制氢。PEM电解技术将可再生能源产生的富余电力转化为氢气，该氢气可储存起来，并在需要时重新转化为电力，或直接使用。
制造专业知识如何影响性能和系统集成？
制造专业知识在实现高性能质子交换膜电解槽系统方面发挥着关键作用。这包括成形、冲压、焊接、涂层和弹性体加工等能力。一些制造商，如EKPO燃料电池技术公司，将这些能力整合到一体化生产环境中，并采用汽车行业标准来确保质量和可扩展性。
此外，对电化学电池设计的深刻理解，使得将多个组件的功能集成到更少的部件中成为可能。这可以降低复杂性、简化堆栈制造、提高质量并最大限度地减少装配相关的错误。此类方法有助于提高 PEM 电解槽系统的技术性能和经济效率。
内容由 EKPO Fuel Cell Technologies GmbH 提供
EKPO Fuel Cell Technologies (EKPO) 是致力于为碳中和出行开发和大规模生产燃料电池堆的领先合资企业。我们是卡车、公交车、轻型商用车，以及 SUV 和大型乘用车，乃至轨道交通和船舶应用领域中，燃料电池堆及组件的一站式供应商。我们依托两家知名国际汽车供应商——ElringKlinger和OPmobility——的工业化专业经验。我们的目标明确：开发并大规模生产高性能燃料电池堆，以推动二氧化碳中和出行的发展——无论是在公路、铁路、水路还是非公路领域。
