AEM电解水制氢系统设计
阴离子交换膜（AEM）电解水制氢技术融合了传统碱性电解与质子交换膜电解的优势，凭借非贵金属催化剂适配性、低水质要求及灵活的负荷响应能力，成为绿氢制备的重要发展方向。系统设计需围绕核心反应机理，兼顾效率、稳定性与安全性，实现从组件选型到整体集成的全链条优化。
核心反应机理与组件设计是系统高效运行的基础。AEM电解水通过阴离子交换膜分隔阴阳极，水从阳极渗透至阴极，在阴极催化剂作用下发生析氢反应生成氢气，产生的氢氧根离子穿过膜返回阳极，完成析氧反应生成氧气。膜组件作为核心，需具备高离子传导率、优异的耐碱稳定性和机械强度，通常选用聚芳环哌啶类材料，厚度控制在80μm左右，可承受3MPa压力差，有效阻隔气体交叉渗透。
催化剂选型需平衡活性与成本，阴极采用单原子Pt/MXene催化剂提升析氢效率，阳极选用镍钴铁层状双金属氢氧化物催化剂，通过掺杂铈、钌等元素优化性能。膜电极（MEA）制备的核心环节依赖超声波喷涂机实现精准涂覆，该设备凭借高频振动雾化原理，可将催化剂浆料转化为粒径均匀的微小液滴，确保涂层厚度精准可控（通常为5~15μm），且能避免催化剂颗粒团聚，显著提升催化层的平整度与孔隙率。操作过程中，需根据浆料粘度调节超声波频率（一般为20~120kHz）和喷涂压力（0.1~0.3MPa），配合精密位移平台实现膜两侧的均匀涂覆，之后再经热压整形工艺使催化层与膜紧密贴合，大幅降低界面阻抗。电解槽流道设计需匹配功率需求，小功率系统可采用结构简单的内密封流道，大功率系统则选用外密封双支撑板结构，提升膜利用率并降低泄露风险。
系统集成需兼顾物料循环与过程控制。整体系统由电解槽、原料水供应单元、电解液循环单元、气液分离单元及控制系统构成。原料水经水箱预处理后，由水泵输送至阳极循环系统，电解液选用1%~5%wt的KOH溶液，通过散热器维持50~80℃的最优反应温度。阴极产生的氢气经气液分离后，通过背压阀调节输出压力，阳极氧气可回收利用或达标排放，需设置氧中氢浓度监测装置保障安全。
控制系统是保障系统稳定运行的关键。通过监测温度、压力、电流、电压、液位及电解液电导率等参数，实现全流程自动化控制。启动阶段采用恒压爬坡加压方式缓慢升压，避免压力骤变损伤膜组件；运行中通过调节电解液浓度和反应温度，将电流密度稳定在1.5A/cm²左右，降低电化学阻抗。系统需设置压力调节装置，维持氢氧出口压力差小于0.5kPa，并配备放空管、取样分析阀及氢气泄漏监测装置，满足安全规范。
性能优化聚焦降本增效与寿命延长。通过优化流道设计（如下进水上出水结构）、提升双极板导电性能降低接触电阻；采用纤维增强型膜材料减少溶胀，提升机械稳定性。运行中控制电解液低浓度和反应低电压工况，减少催化剂氧化与膜降解，同时提升气体扩散层防腐蚀性能，避免机械损伤。未来需通过膜材料量产降本、催化剂改性升级等技术突破，进一步提升系统经济性与规模化应用潜力。
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