文 章 信 息
一体化（all-in-one）双极板电极: 紧凑高效水电解池新概念
第一作者：杨高强，解志强，于舒乐
合作作者：李魁，李一凡，丁磊，王维天
通讯作者：张凤远*，杨高强*
单位：美国田纳西大学
研 究 背 景
作为绿色可再生能源，氢能在燃料电池汽车、医药、以及电子等领域得到广泛应用，而质子交换膜电解池（PEMEC）可提供最有希望的高纯度高效率的制氢方法。PEMEC由膜电极（CCM）/双极板（BP）/气液扩散层（LGDL）/ 电流传输板（CD）/密封垫组成。
各部件结构复杂，加工难度大，造成了其造价昂贵的问题。高组件数量也造成组装及运行维护中的困难，同时各部件界面接触电阻（ICR）导致水解电池过电位上升，极大降低了制氢性能。且传统电极里贵金属催化剂颗粒及高分子聚合物随机分布，导致电子质子传输路径曲折以及催化剂的低利用率。
文 章 简 介
美国田纳西大学空间研究院张凤远教授科研团队采用先进制造技术（3D打印及金属沉积）开发出一体化（all-in-one）双极板电极（AIOBE），将除质子交换膜（PEM）外所有部件融合为一体，极大降低了水电解池部件加工工序、难度、电极催化剂载量及价格，并提升了水分解制氢的效率。研究成果近日发表在学术期刊《Nano Energy》上.
文 章 要 点
要点一：提出一体式双极板电极用于高度紧凑水电解池
研究人员通过选择性激光熔融（SLM）及溅射沉积技术制造出AIOBE，使PEMEC加工步骤从至少17步减少到3步（打印，抛光，溅射沉积催化剂）。
AIOBE表面宏观有序孔状结构可作为气体扩散层；表面具有微米尺度平整的电极可提升与PEM的接触；具有纳米尺度粗糙的催化剂层可提升催化剂表面积和利用率。
图1. （a）AIOBE实物图。（b）AIOBE有效区域设计。（c）AIOBE有效区域SEM。（e）AIOBE表面催化剂层SEM
要点二：AIOBE产氢性能
在PEMEC水电解池测试中发现AIOBE提供极低欧姆电阻（~0.1 ohm cm2），并在在1000 mA/cm2电流密度下实现极低的过电位（1.62V），其贵金属催化剂质量活性比传统电极高出14倍。
图2. AIOBE在PEMEC中的产氢性能
要点三：AIOBE机理探析
传统PEMEC单面部件内部具有7种不同类型电阻，导致其欧姆过电势难以降下来。且传统电极内部催化剂颗粒（导电子）及高分子聚合物（导质子）随机分布，难以形成有效电子及质子传输通道，导致大量催化剂无法参与反应。
AIOBE一体式双极板电极只有一个部件，其内部电子电阻可以忽略不计，揭示了AIOBE极低的欧姆电阻。同时AIOBE表面具有纳米尺度粗糙度，使质子在有水情况下可以进行纳米尺度的自由传输，大大增加催化剂层表面的催化利用率，提供了与传统高催化剂载量电极相媲美的催化性能。
图3. （a）传统PEMEC和（b）具有一体化双极板电极AIOBE 的PEMEC的系统结构和反应位点分布
要点四：前瞻
AIOBE一体式双极板电极在电解池中被成功应用，证明了这种设计未来可用于发展紧凑高效廉价的水电解池。该研究方法对类似能源转化设备及电极设计研究亦有广泛借鉴意义，包括燃料电池，电池，氨气还原，和二氧化碳还原。
文 章 链 接
“All-in-one bipolar electrode: A new concept for compact and efficient water electrolyzers”
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552100803X
通 讯 作 者 简 介
张凤远 教授。
现为田纳西大学机械航空和生物医学工程系终身教授。在南京航空航天大学分别取得本科和硕士学位, 博士毕业于日本名古屋大学。曾在特拉华大学、宾夕法尼亚州立大学、加州大学洛杉矶分校和斯坦福大学任职。张教授长期从事氢能, PEM燃料电池, PEM电解水产氢的研究和应用。他的研究兴趣包括热流体、微/纳米技术、 电化学反应、电催化、 氢能、电解槽、电池、多功能材料、先进制造、推进、传感器以及先进的诊断技术。他的团队开发了具有所需传输、催化、电学和热性能的薄且易控的液体/气体扩散层 (LGDL) 和催化剂涂层高性能电极 (CCLGDL)，并研究了原位微尺度高速电化学反应、界面效应和微流体技术。
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