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在整个水电解系统中，水电解槽是系统最为核心的组件。在电能作用下，水电解槽将水分解为氢气和氧气。因电极反应原理、电极和电解质材料以及工作条件等方面的不同，水电解技术分为碱性电解技术、质子交换膜（PEM）电解技术以及固体氧化物电解技术。碱性电解是现阶段最成熟的技术，但在实际应用过程中存在电解液污染、电极腐蚀、电流密度较低、效率低、负载范围小等缺点；而固体氧化物电解技术正处于发展阶段，短时间内难以实现成熟稳定的应用；PEM电解技术具有效率高、工作电流密度和气体输出压力大、操作方便、系统体积小、气体纯度高以及负载范围大等特点。PEM电解技术的高电流密度和大负载范围的特点，与太阳能结合，可应用于载人航天、能源存储与燃料电池等领域。美国通用公司最先提出PEM水电解技术，随后美国Giner公司开发了第一台大型PEM水电解制氧系统并将其应用于潜艇。美国HamiltonSundstrand公司与NASA联合开发高压与常压水电解制氧系统，并将其应用与载人航天领域。通用公司开发的ES-1000，具有929cm2的活性面积，作为供工厂使用的大型氢气发生器。针对小规模用氢市场，美国Proton公司开发了两种小型氢气发生器，氢气产量分别为1nm3/h和11nm3/h。4家国外公司相继开发出额定功率达到MW级的水电解制氢系统。我国对PEM水电解技术的工程应用起步较晚，中国航天员科研训练中心首先对PEM水电解技术进行工程应用化研究，2012年首次开发出具有5MPa输出压力，产氧量大于3nm3，单体电压小于1.9V的水电解槽。目前，5个中国机构具有制造中小型PEM电解槽和制氢系统的能力，但电解槽的最大氢气产量都不大于20nm3，与国际先进水平相比，电解槽的额定功率还有很大差距。同时，电解槽的制造成本较高，很难进行商业化推广。需要对电解槽的各部分组件、电解槽的整体结构、电解槽的工作模式等进行优化，提升其性能。根据以往的研究基础，本文研制具有新型电解单体结构的PEM水电解槽，测试电解槽在不同工作条件下的电解性能和长期稳定性，探讨组装压力对电解性能的影响。1方法1.1 PEM水电解槽的工作原理PEM水电解槽与燃料电池相似，核心部分是膜电极（membrane electrodeassembly，MEA）组件，MEA组件主要由质子交换膜、阴极催化剂和阳极催化剂构成。质子交换膜通常使用Nafion材料，其主要作用是离子的传输和气体分离；阴极和阳极催化剂主要是促进反应的进行，两极催化剂主要使用贵金属材料。电解槽的反应主要在MEA上进行，具体工作原理如图1所示。图1PEM电解槽的工作原理与碱性水电解槽不同，PEM水电解槽的反应物是去离子水，为提高使用寿命，去离子水的电阻率通常要大于18.2MΩ·cm。在PEM水电解槽的工作过程中需要施加持续电流，H2O在阳极部分失去电子，生成H+和O2，H+从阳极部分通过质子交换膜到达阴极部分；与此同时，H+在阴极部分得到电子，生成H2。1.2PEM水电解槽的结构与组成1.2.1新型PEM电解槽单体结构与组成PEM水电解槽是整个电解体系的核心装置，一个完整的电解槽由多个电解槽单体组成。新型PEM电解槽单体主要包括MEA组件、多孔集流体、流场双极板、端板、绝缘板、复合材料框以及密封材料组成。新型PEM电解槽单体使用材料框架作为外部结构，流畅双极板置于框架内部。相较于传统金属钛双极板的外部结构，在保证电解槽结构强度和密封性的前提下，使用材料框架成本更低、加工难度更小、重量更轻，明显降低了电解槽的制造成本。电解槽阴极室和阳极室采用不对称设计，使电解槽具有压差工作的能力。新型电解槽单体具体结构<EFBFBD>
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