用于析氢和析氧反应的直平行电极和可变间隙

摘要

碱性水电解所要克服的挑战是降低能源消耗、维护和成本，以及提高耐久性、可靠性和安全性。考虑到这些挑战，这项工作的重点是降低电解液的电阻，这直接影响能量消耗。根据物体电阻的定义，减小电极之间的间距可以降低电阻，但在这个过程中气泡的形成可以修改这一肯定。在这项工作中，进行了不锈钢316L电极之间9个不同空间的性能分析，尽管提出的空间与正极(阳极)到分离器和分离器到负极(阴极)的空间不相同。之所以要研究这个问题，是因为反应的化学计量学表明，每两摩尔水可以得到两摩尔氢和一摩尔氧。建议的空间分别为10.65、9.20、8.25、7.25、6.30、6.05、4.35、4.15和3.40毫米。从九个不同的电极之间的分析距离，可以说，最佳的性能达到最小的距离之一，4.15毫米。当比较相同的电极之间的距离(电极和分离器之间的相同和不同的距离)时，具有几乎两倍的距离(负极室)的电流密度比两个距离(从电极到分离器)相同的地方增加了约33%。这说明电解反应的结构对其性能有影响。

1.简介

长期以来，氢一直被认为是一种清洁能源载体，因为它可以用于燃料电池中发电、供水和发热。1- - - - - -4］．这种载体可以通过超过90种不同的方法生产，其中电解是最受欢迎的一种，主要是因为它在工业、商业和军事层面的应用可以追溯到19世纪，而不忽视其简单性[5，6］．这种方法有许多优点，因为它不会产生对环境的污染排放;所获得的气态产品，氢和氧，纯度很高，这使得它们在燃料电池中使用很有吸引力。当使用其他生产方法时，这些电池的操作和货架寿命可能受到燃料和氧化剂可能包含的杂质的强烈影响，因此需要不同的和昂贵的净化步骤。电解是一种电化学方法，可以根据燃料和氢气的需要在不同的规模上应用。

这种机制的成本基本上取决于进行电解和维持电解槽在工作温度所需的能源价格。能源是这类方法成本的主要部分。使用电解槽生产氢和氧的成本取决于电能的成本。众所周知，电是最昂贵的能源形式。相对于一次能源，它的生产平均效率约为30-40%，因此，对于电解槽来说，它通常低于40% [7］．在大多数工业电解槽中，能耗为4.5-5千瓦时/纳米^3.n H₂［7，8］．

这就是为什么当能源完全是可再生能源时，这种技术的使用可能更有吸引力的原因。能源的种类将取决于实施这项技术的地方是否有能源矩阵。

目前碱水电解的研究趋势包括电极、电解质、离子输运、气泡形成和分离等几个方面。这项技术所面临的挑战是双重的。一是能源消耗、维护和成本的降低，另一方面是耐久性、可靠性和安全性的提高。9- - - - - -11］．另一个需要考虑的方面，虽然很少被考虑到，是利用尽可能便宜的电力，而研究可以改进这一过程。一个例子可能是夜间电力或风力的过剩。

为了降低电解槽组件的成本，相当多的研究人员专注于研究低成本材料或改进现有的材料，使该技术更容易负担，并试图解决工业上的这一紧迫问题。

在这个方向上，P. Lettenmeier等人致力于开发用于质子交换膜(PEM)电解槽的涂覆不锈钢双极板。采用真空等离子喷涂法制备钛(Ti)涂层，再采用磁控溅射物理气相沉积法制备铂(Pt)涂层。这些双极板在商业PEM电解槽中进行了1000小时的评估。结果表明，316L不锈钢在阴极侧不需要在不锈钢表面涂钛，因为316L不锈钢更耐氢脆。研究的双极板在1000小时后没有观察到腐蚀。当这两种涂层用于双极板时，获得了最高的性能。由于无法观察到电解槽性能的下降或基材中的某种降解/腐蚀，因此可以说，316L不锈钢可以用作制造双极板的基材[12］．

M. Schalenbach等人的工作是一个由解析方程组成的简单物理模型，用来描述酸性和碱性水电解槽的电压-电流特性、热平衡、氢和氧交叉以及电池效率。模型采用电解电池参数化，设计和建造的电解槽在文献中具有最佳性能[13，14］．与电压-电流特性相关，发现碱性水电解槽具有较高的电池电阻。这是由于与酸性电极相比，使用了更厚的分离器和微孔电极。两种电解液的电导率相等。这意味着它们在电极之间相同的距离上有几乎相同的欧姆降。发现酸性水电解槽的动力学过电压要小30%。氢的扩散率在碱性分离器比在Nafion®膜低38倍。该分析表明，使用镍基催化剂(Zirfon®填充30% wt%氢氧化钾(KOH)溶液)但使用比通常更薄的分离器的碱性水电解槽，预期比使用铱(Ir)和铂基催化剂和Nafion®作为聚合物电解质膜的酸性水电解槽更有效[15］．

在Kraglund等人的研究工作中，制备了三元聚(2-2 ' -(间苯)-5,5-双苯并咪唑(m-PBI)，并对其稳定性和性能进行了系统表征。在不同KOH浓度(5 ~ 30 wt %)的影响下，将其作为零间隙碱性水电解槽的电解液。合成后，m-PBI膜在实验室单元中进行测试，该单元由线性模式流场板、镍(Ni)泡沫电极和聚(四氟乙烯)(PTFE)垫片组成，并与Zirfon®隔膜进行比较。当浓度为20- 25wt %的KOH水溶液进行分析时，可获得最佳结果。在5 wt %， 15 wt %和30 wt %的KOH中，电解槽的运行是稳定的，但其后续分析证实了在15 wt %和30 wt % KOH中m-PBI的氧化降解[16］．

Delvaux等人研究了形态控制镍薄膜电极。采用磁控共溅射技术，从厚度约为50 nm的镍(Ni)和铝(Al)阴极中制备了不同成分的镍铝合金薄膜。必威2490对沉积时间和沉积功率进行修正，得到不同的初始铝/镍原子比为0;0.2;0.4和0.7。将铝在室温下在30 wt %的超纯停滞KOH溶液中选择性浸出，制备脱合金镍电极。结果被用来提供一个系统的了解因素，改善气泡脱离电极表面。电化学测量是在以1.0 mol/L KOH溶液为电解质的25 mL PTFE槽中进行的。浸出阶段后，铝的漏出量很小，金属间相没有变化，但与纯镍电极相比，镀镍电极的电化学性能与析氧反应电位相关的性能有所提高。这些结果的原因是由较高的表面粗糙度测量的去合金电极，允许更好的气泡脱离其表面。 This last affirmation was confirmed by cyclic voltammetry where forced convection had a higher influence in the potential for pure nickel than in de-alloyed electrodes [17］．

在Lu等人的研究工作中，开发了一种用于析氧反应的新型阳极并对其进行了表征。该电极由电沉积法制备的分层结构三维非晶介孔镍铁复合纳米片组成。镍铁(NiFe)催化剂均匀沉积在泡沫镍宏观三维骨架上，具有较高的催化剂载量和大量的活性位点。波纹状纳米片结构的NiFe沉积相互连接，形成孔径为50 nm的介孔纳米结构。这些非晶态纳米片是高度透明的，这表明了它们的超薄状态。得到的复合材料是Ni_3.铁(哦)₉镍镍的氧化态^{2 +}对于铁和铁^{3 +}．复合材料和镍与铁的协同作用使电极具有较高的催化活性。它具有优异的质量传输性能、导电性和机械鲁棒性。在电解过程中，气泡迅速消散到溶液中，在电极表面没有观察到气泡的积累。沉积结构保存完好，表明催化剂未从基体上释放或溶解。这意味着这些电极是昂贵的IrO的有前途的替代品₂和RuO₂析氧反应催化剂和镍钴基复合材料，通常需要更高的过电位[18］．

Trinke等人将他们的工作集中在PEM和碱性水电解槽的一个重要问题上:氢和氧交叉。氢向阳极半电池的渗透具有特殊的意义，因为可以形成爆炸性气体混合物;但气体交叉还有两个负面的副作用:法拉第效率降低和降解。为了获得可比性数据，使用最先进的分离单元材料进行了两种技术的实验:PEM为Nafion®117，碱性为Zirfon®，工作温度为60℃。交叉路径可分为扩散传质机制和对流传质机制。就扩散而言，产物通过膜或分离器进入对面的半细胞室。对流可进一步划分为压差、电渗透阻力、电解质混合和过饱和等机制[19］．

在压差中，总压梯度的存在允许溶解的物种和电解质通过分离装置的运输。在电渗透阻力作用下，由于电场作用，溶剂可以将离子和溶解气体拖过分离装置。在PEM电解过程中，溶解氧可以被质子拖入阴极室或降低氢的渗透。在碱性电解中，氢氧根离子负责电荷的传输，因此，当它们从阴极室传输到阳极室时，这可能会增强氢，减少氧的交叉。在气泡生长之前，气体以溶解的形式产生。因此，电解液变得过饱和，也就是说，在电极边界或催化剂层内溶解的氢浓度更高。因此，溶解氢的传质存在两种相互竞争的机制:以溶解的形式传输到电解体或传输到电极边界层中气泡的气液界面。结果表明，在较高的电流密度下，析氧速率的提高稀释了渗透的氢并降低了其分数，从而降低了氢污染。如果操作压力增加，氢气的含量也会发生同样的变化，但对于PEM，它比碱性电解要高得多。如果有阳极和阴极电解质循环的混合，这个肯定会改变。 The rise of pressures, as the amount of dissolved gas within the electrolyte increases, decreases gas bubble diameter and complicates an adequate gas separation. So, the recirculation rate should be kept as low as possible but high enough to maintain the temperature increase and avoid a rise of the electrode bubble coverage. When hydrogen crossover was determined through Nafion® 117 membrane and Zirfon® separator as a function of current density, hydrogen crossover increased with rising of current density as well as the system pressure. In the case of PEM electrolysis, the linear dependency of hydrogen crossover on the current density is explained by mass transport resistances within cathode catalyst layer that cause an increasing supersaturation of dissolved hydrogen as the current density increases. In alkaline electrolysis hydrogen crossover initially increases with the current density until a plateau is reached. Rising system pressures seem to shift the formation of the plateau towards higher current densities. This effect was justified by hydrogen mass transfer coefficient from liquid electrolyte into gas phase at higher current densities. The works presented by Vogt [20.， Chin Kwie Joe [21和圣皮埃尔[22的研究结果表明，在低电流密度下，气体的析出效率有一个很强的上升，直到观察到线性相关性。当电流密度非常小时，形成的产物总量以溶解形式离开电极。随着电流密度的增大，溶解氢的浓度增大到足以激活成核位点，使气泡在电极处形成。随着压力的增加，气体的生成效率被转移到更高的电流密度，这就证明了平台的形成。

因此，比较两种技术的扩散交叉，PEM比碱性电解高一个数量级以上，这是造成氢在浓氢氧化钾中溶解度低的主要原因。

至于PEM电解的交叉击穿，一小部分是由于饱和溶解的氢的扩散造成的。另一部分是由于阴极半电池中氢浓度过饱和所致。其百分率随电流密度增大而增大，随阴极压力增大而减小。电流密度效应在很高的阴极压力下失去了重要性。对于碱性电解，由于过饱和，电流密度的上升会轻微增加扩散交叉，但进入阳极半电池的氢的最重要来源是电解质循环的混合。

研究了分离单元厚度对阳极氢含量的影响。在PEM电解过程中，如果膜厚度降低，氢含量会明显增加。在碱性条件下，氢含量几乎与分离器厚度无关。对于使用Zirfon®作为分离器的电解槽，它的减少提供了很大的潜力来改善欧姆损耗，但对流交叉将变得更重要[19］．

Zeradjanin和同事们的研究重点是寻找改进方法，以减少这些产生气体的电化学工业过程所消耗的大量电能。在这方面，他们研究了尺寸稳定阳极(DSA)，这种阳极通常用于氯的生产和水电解。分析了四种不同DSA样品的活性，并比较了它们在氯生产中的几何性质。很少有人注意到在微观尺度上的形态特性及其对活性的影响。标准的DSA涂层由二氧化钛(TiO₂)和氧化钌(RuO₂)，并得到Ti的支持。一般来说，人们认为具有密集的活性位点和快速的电极动力学的催化剂层应该保证高的总体性能，尽管获得活性位点的重要性经常被忽视。在气体演化过程中，催化剂层的形态会影响活性位点的可用性。用涂有TiO的钛金属芯片制备了阳极₂/ RuO₂在温度不超过600°C的空气中混合氧化物。RuO₂涂层的活性成分是TiO₂是保证长期机械和化学稳定性的支撑基质。样品呈现的变化与热致拉应力引起的催化剂层破裂条件有关。必威2490为了鉴别样品，确定了钌的质量百分比:23.6%，26.7%，27.4%和23.4%。所有的样品都表现出不同的活性，这表明表面的状态就其活性表面积和/或其化学成分而言是不可复制的。因此，几何效应(形态和活性表面积)是造成样品活性差异(质量输运效率的变化)的原因。样品具有不同的活性表面积和活性位点数量。随着时间的推移，数量最多的细胞表现出最低的活性和最高的活性损失。这些研究人员估计了翻转频率:每一时间单位通过所有活性位点的电荷除以用单层吸附物质覆盖所有活性位点所需的电荷。结果表明，伏安表面电荷与翻转频率成反比。随着活性表面积的增大，活性位点的可达性似乎变得更加困难(有效表面积的低效利用)。 The “mud-crack” structure consists of islands and cracks. The size of the latter can be considered as porosities whose sizes influence mass transfer into the inner parts of the catalyst layers. Their width decreased in the order: 23.6% > 26.7% > 27.4% > 23.4% of Ru, which was exactly the trend obtained for turnover frequency and current density. So, the increments of “crack” widths decrease the voltammetric surface charge but increase the turnover frequency more rapidly. As a consequence, the overall activity of DSA is predominantly affected by the turnover frequency and not by a decrease of active surface area. The widths of the cracks determine the availability of the surface area for the reaction. Larger width contributes more accurately to effective mass transport and allows higher product turnover. If bubble nucleation proceeds inside the cracks, its growth would be limited and detachment should happen with smaller radii and more frequently. Their detachment permits the electrolyte to flow into the crack, thus enabling the pores in the inner parts of the coating to participate in the reaction. Due to the limited growth of bubbles, the excess energy delivered to solid/liquid interface (due to applying overpotential) is dissipated, amplifying oscillations. That leads to a higher frequency of detachment. The cracked regions locally exhibit higher conductivity. The random rupture of the catalyst layer or nonuniform local enrichment of Ru caused different crystallinities. As Ru has lower affinity for oxygen compared to Ti, the latter diffuses towards the outer surface of the catalyst coating to form TiO₂而Ru则在内层保持较高的浓度[23］．

这些研究人员继续使用相同的DSA电极，以获得有关局部电流分布与整体活动之间相关性的知识。必威2490为了提高电催化气体生成过程的效率，有必要考虑到所有导致能量损失的现象[24］．能量损失可由(我)激活过电压;(2)阳极或电解质中的欧姆降;(3)浓度过电位;(iv)气泡在电极表面的粘附。

DSA电极的表面形貌分为均匀区和非均匀区。除了泥裂结构外，还可以看到不完整的泥裂。局部活性的波动可能是由于电催化剂表面活性分布的不均匀或与标准泥浆裂缝形态的偏差所致。能量色散x射线(EDX)分析表明，样品在初期具有均匀的化学成分，表面钌的偏析和氧的富集是腐蚀的结果。与未完全形成泥裂结构的区域相比，泥裂区域表现出更高的粗糙度，这一特征差异预计将影响局部活动。众所周知，“开裂”电极的活性表面比致密电极高得多[25］．泥岩裂缝的形态以边缘为特征，其局部电流密度可能非常高。泥岩裂缝不完整是一种不良现象。催化剂层的局部性质，包括形态的波动，在整个表面积上周期性地重复。样品之间可以区分不同的局部活性。其活性趋势为(裂纹大小)2μm > 1.0μm > 1.6μm > 0.5μM，类似于前面研究文章中得到的安培曲线[23］．以下是四个值得参考的重要方面:

(1)活性位点的空间分布影响电催化剂的整体性能。

(2)局部电流分布越均匀，整体活度越高。

(3)活度分布越均匀，随时间的活度损失越不明显。

(4)催化剂制备方法的可重复性有限，与涂层性能的控制有关。

合成参数的完善控制为提高涂层性能提供了广阔的前景。在相同的负载和化学成分下，通过优化合成可以提高活性。因此，通过更好地控制合成参数以获得更规则的表面形貌，以及使用分布更均匀的催化剂抑制活性损失，可以显著提高气体进化电极的效率[24］．

水的热力学分解电压为1.23 V，但在1.65-1.7 V之前不发生反应。通常，由于过电位，电池的工作电压为1.8-2.6 V [7］．

过电位是电极电位相对于正常可逆电位的增加。电解液的分解电位随电解溶液之间电极的性质、电解液表面的条件、电解液之前的工作以及电解液的均匀性而变化。产生电流通过所必需的电极电势与无电流通过时的平衡电势之间的差称为电极过电压。这意味着电解的不同产物以及释放这些产物的不同电极都存在过电位[26，27］．超电势可归因于三个主要原因:(我)由于电流的通过，电极表面附近反应物浓度的变化。(2)载流子通过界面的容量。(3)在电极金属晶格中原子的合并或提取。在金属离子势的情况下，这可能会受到阻碍。

总过电位可分解为三个可加成分:浓度、过渡和结晶。浓度过电位可细分为扩散和反应[28］．

考虑到这些挑战，这项工作的重点是降低直接影响能量消耗的电解液的电阻。物体的电阻是对其通过电流的阻力的检验。其值与导电材料的截面积、电流路径长度和材料电阻率成正比[6］．根据这一关系，减小电极间距(SBE)可以降低电阻，但在这一过程中，气泡的形成可以修正这一肯定。

本文在一个特殊的电化学槽中，研究了两个具有直并联拓扑结构的316L不锈钢电极的性能。该电池模拟的组件和工作条件与碱性水电解槽相同，具有允许修改电极之间距离的系统优势。这个系统，按照它的设计，不允许捕获所获得的气体，但满足这个分析的目标。在正极(阳极)到分离器和从分离器到负极(阴极)的情况下，电极之间提出的距离是不一样的。之所以要研究这个问题，是因为反应的化学计量学表明，每2mol水可以得到2mol氢和1mol氧: 对这种情况进行了研究，分析了电极和分离器之间的9种不同距离，始终试图保持分离器到阴极电极之间的两倍距离。据我们所知，这是第一次进行这种实验。

使用316L不锈钢作为电极材料是基于其镍含量和低成本。尽管它不是在这些系统中使用的最有效的材料，但它也可以通过建立电极和分离器之间的不同距离、电极之间的距离和直平行拓扑结构来确定其行为。

2.材料和方法

2.1.电极制备

用于电极的材料是不锈钢316L，从FAMIQ s.r.l购买。它们的尺寸是110毫米宽，2毫米深，110毫米高。表格1介绍了不锈钢的化学成分。

2.1.1.电极加工:直平行拓扑结构

选择直平行拓扑作为几何图形，可以增加电极的活性面积，并在一定程度上改善过程中形成的气泡的偏离。该拓扑结构由通用铣床制成，使用直径为8毫米、厚度为1毫米的圆形高速钢锯(SINPAR)。对于这个拓扑结构，通道选择的尺寸为1毫米宽，0.5毫米深，90毫米高。与相同的电极相比，这些通道的加入使电极的活性面积增加了约50%。

通道的壁负责提供给系统的额外活动区域。考虑到通道的尺寸，每个通道增加0.9平方厘米。考虑到原电极的平面尺寸，其活性面积为99厘米²．每增加0.1厘米的通道，就可以合并55个通道，这代表增加49.5厘米²的表面积[8］．

2.1.2.清洁处理

在切割购买的材料(不锈钢316L)并机械化其表面的拓扑结构后，有必要对其进行清洁，以去除或消除有机物质。这些物质可能是制造过程、切割步骤或通道机械化过程中的残留物。这些有机物质会阻塞电极活性区域的不同部分，使这些区域对反应无效。所有电极都进行了清洗处理。

这种治疗包括五个步骤:(我)用大量的自来水冲洗电极。(2)用商业研磨清洁剂清洗电极。(3)用蒸馏水清洗电极，然后晾干。(iv)用丙酮(Cicarelli Laboratory, Pro-Analysis A.C.S)浸泡滤纸，清洁电极的整个表面。允许干燥，目的是将溶剂从表面蒸发。(v)用乙醇(Soria 96)浸泡滤纸，用它清洁电极表面。然后晾干，以蒸发溶剂的目的。

这些清洗步骤完成后，电极就可以在相应的移动电极电解槽中使用了。需要澄清的是，每次完成一个给定的实验，电极必须从电解池中取出或放入，都要进行这个过程。

清洁的电极被合并到电解槽中，如下所述。

2.2.移动电极电解槽

为了建立不同电极之间的空间以及电极与分离器之间的距离的性能，使用了一个完全由晶体丙烯酸构成的电解槽。电解槽是停滞的，这意味着在整个实验过程中使用了相同的电解溶液。这种电池的特点是可以使用一对整流块确定电极的位置(电极之间的空间)。数字1显示电解池的等距爆炸视图[29，30.］．

构成电化学电池的部件有容器、整流块、分离器、导向支架、螺钉和移动锁。

矩形容器的目的是保存电解液，它是所有其他组件的位置。在它的中心，有一个通道，确保将被用作分离器的材料的垂直位置，并为阳极和阴极隔室提供电解液的密封性。不同对整流块建立电极之间的空间。对整流块由丙烯酸制成，放置在容器内，沿其最大的壁，可以交换所需的尺寸，以获得所需的电极之间的距离。导向支架的作用是将电极保持在垂直位置，彼此完全平行，并与分离器，结合两个不锈钢螺丝。螺丝钉起电气连接器的作用。当所有部件都到位后，系统就通过使用移动锁进行保护。也就是说，在实验过程中，移动锁保持了所有部件的固定，使电极之间的空间保持在研究范围内。当系统准备使用时，用量规在三个点上检查电极之间的距离:电极两端之间和电极中心。Lavorante等人在2014年对电解槽的描述做了更详细的解释[30.］．

2.3.电解槽实验

用蒸馏水配制30% w/w (J.T. Baker, Pro-Analysis A.C.S, 87.0%)的KOH电解溶液进行实验。一旦电解溶液被吸收到电解槽的容器中，在每个容器中加入一滴十二烷基硫酸钠分散液，以降低溶液的表面张力。Zirfon®是用作分离器的复合材料。

这种材料是由零氧化锆制成的₂粒子嵌入聚砜基质。这种材料是用薄膜铸造技术合成的。使用的锆石®的厚度为1毫米[13］．

将电连接器切换到电源TDK-Lambda GEN20-76系统直流电源(12.5 V/60 a,750 W)。在0.0到3.0 V之间的一定电位下进行电流测量，每30秒改变0.1 V施加的电压差。工作条件为常压，电解液初始温度为30.1℃。电压、电流和温度为监测参数。在每一步结束时(每30秒周期后)记录每个电位的电流[8］．

3.结果与讨论

研究了9种不同电极间距:10.65、9.20、8.25、7.25、6.30、6.05、4.35、4.15和3.40毫米，并分析了所有类型电极的行为。表格2所述正极表面与分离器表面(PES)之间的空间和负极表面与分离器表面(NES)之间的空间。如上所述，在每一种测定中，阴极到阳极分离器的距离大约是阳极分离器的两倍，这是使用整流块所带来的限制。每个实验(电极之间有一定的间距)进行三次，并将得到的结果取平均值，以构建图形表示。通过计算标准差和标准误差来获得误差条，以表明平均值可能在多大程度上反映真实值。

数字2(一个)是电极之间最长距离(10.65、9.20和8.25毫米)单位面积极化曲线的图形表示。由于在测定中给出的标准误差小于用于识别得到的实验值的标记(最大值4.20)，所以没有将其添加到图形表示中。如上所述，整流块建立了电极之间的距离，但在阴极室，电极和分离器之间的距离几乎是阳极大小的两倍。

数字2 (b)为电极之间距离(7.25、6.30和6.05毫米)单位面积极化曲线的图形表示形式，图2 (c)距离最近的分别是4.35毫米和4.15毫米。同样，由于在这些测定中给出的标准误差小于用于识别得到的实验值的标记(3.20和4.4分别是最大值)，所以没有将其添加到图形表示中。

电极之间的距离越小，电流密度越高。如前所述，物体的电阻是对其通过电流的阻力的检验。它的值与导电材料的截面积、电流路径长度和材料电阻率成正比。由于电流路径的长度更小，因此允许增加系统中的电流密度的电阻也更小。

本分析中提出的较小距离(3.40 mm)不能表示，因为实验中获得的电流值由于气泡的形成和离开而不保持稳定。

从9.20,8.25和7.25 mm距离的电流密度结果可以得出，电极每靠近一毫米，系统的性能就提高约4%。在每种情况下，如果用得到的值减去最近距离(固定为10.65 mm)确定电流密度增量百分比，结果表明，当施加一定的电压差后，系统达到最大增量值(见图)3.）.

这表明，该系统设法保持了性能的提高，但传递的大部分能量以热的形式损失了。

电极之间的间隙在图中分析2 (b)而且2 (c)显示电流密度大约增加了3%，直到图形表示中提出的电极之间的最后距离(4.15 mm)，其中增加了15%。

为了进一步分析采用相同电极间距和不采用相同电极间距(阴极和阳极间距相同或阴极间距加倍)的区别，又进行了另一个实验。任意选择电极之间的距离，在本例中为6.05毫米，实验在相同的实验条件下进行，但PES表面与NES表面之间的间距相同(2.5025 mm)。数字4(一)给出了两种实验的比较结果。

如果用两个系统的电压差计算出的电流密度来计算释放的热量，可以观察到，在产生等量氢气的情况下，性能较低的系统，即电极与分离器之间距离相同的系统，释放的热量更多(图1)4 (b)）.

从图中所示结果的分析4 (b)，可以说，在低电流密度(<100 mA /cm²)，由于产生的产物的数量，导致能量损失(以热的形式)的现象的存在不能被评价。当电流密度增加(>100毫安/厘米²)，当电极与分离器的距离相同时，电解液中的欧姆降和浓度过电位变得更加明显。电解液中的欧姆降是由形成的气泡脱离引起的。浓度过电位是由于溶解气体在电极表面附近的积累造成的。这些现象的结果是，需要更大的电压来获得同样数量的产品，能量损失导致更多的热量释放。为了加深对这一特殊系统中这些现象的认识，将进行进一步的研究。必威2490

当电极与分离器之间的距离不相同时，系统的性能表现出较好的效果。对于每个不同的电压，电流密度增加了大约33%(所有测定的平均值)。数字5给出了该分析的图形表示。

4.结论

从电极之间9个不同的距离分析中，负极距离分离器的距离几乎是正极距离的两倍，可以说，最佳性能达到了最小的距离之一，4.15毫米。在该距离内，正极表面与分离器表面之间的间距为0.7 mm，负极表面与分离器表面之间的间距为2.45 mm。

最小的3.40 mm不能分析，因为在实验过程中，由于气泡的形成和离开，电流的值不稳定。

当电极之间的距离相同时(电极和分离器之间的距离相同和不同的系统)，相比于两个距离(从电极到分离器)相同的情况，具有几乎两倍距离的系统(阴极室)的电流密度增加了约33%。在这些系统之间产生等量的氢气时，电极和分离器之间距离相同的系统释放的热量更高。在低电流密度(< 100毫安/厘米²)，导致能量损失(以热的形式)的现象的存在，由于产生的产物的数量，不能真正被欣赏。当电流密度增加(> 100毫安/厘米²)，当电极与分离器的距离相同时，电解液中的欧姆降和浓度过电位变得更加明显。由于这些现象，需要更大的电压才能获得同样数量的产品。为了加深对这一特殊系统中这些现象的认识，将进行进一步的研究。必威2490

这说明电解反应的结构对体系的性能有影响。在这方面还需要做更多的研究工作，但这是一个起点，继续研究这类设备的设计改进，以减少其能耗。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包含在补充信息文件(可用在这里）.

信息披露

该手稿基于2017年9月26日和28日在土耳其卡帕多西亚奥塔希萨尔举行的第二届能源储存和转换材料国际研讨会上发表的海报。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者想要感谢国防部和陆军项目指导(DIEJ)给予的支持。作者非常感谢ciedef的原型部在实验中使用的电极的构造。作者获得了阿根廷国防部的资助:03 NAC 024/17和03EUV 032/15。这个作品是为了纪念我们敬爱的导师博士。胡安·伊西德罗·佛朗哥(12-09-1945 -13-07-2017)，他一直陪伴着我们的研究方向或我们决定遵循的方向。他孜孜不倦的提问使我们作为研究人员不断进步，也提高了我们的工作成果。他告诉我们，导演不是告诉别人做什么或怎么做，而是在整个过程中陪伴他们，让他们发挥出最好的一面。我们会非常想念我们关于科学和生活的对话。工程师卡拉·亚尼娜·雷诺索(Carla Yanina Reynoso)与巴氏法院(Sc. Ba。María Jose Lavorante，他也策划了这些体验并分析了结果。

补充材料

在这一节中，将介绍从所有进行的实验中获得的结果。一旦设备连接到直流电源，从0到3v进行电位差扫描，每30秒记录一次所研究电极之间的每一距离的电流。然后对电流结果进行处理，得到随电极活性面积变化的电流密度。最后，对每组测定，在相同的工作条件下，计算平均值、标准差和标准误差。（补充材料）

参考文献

1. R. F. de Souza, J. C. Padilha, R. S. Gonçalves, M. O. de Souza，和J. Rault-Berthelot，“离子液体作为电解质的水电解制氢:寻找最佳装置”，动力源杂志第164卷第1期。2，第792-798页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. S. M. Haile, D. A. Boysen, C. R. I. Chisholm和R. B. Merie，“固体酸作为燃料电池电解质”，自然，第410卷，no。6831，第910-913页，2001。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. S. J. Peighambardoust, S. Rowshanzamir和M. Amjadi，“质子交换膜在燃料电池中的应用综述”，国际氢能杂志第35卷，no。17, pp. 9349-9384, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. R. F. De Souza, J. C. Padilha, R. S. Gonçalves，和J. Rault-Berthelot，“二烷基咪唑离子液体作为电解质从水电解制氢，”电化学通讯第8卷第1期。2，页211-216,2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. J. O . m . bokris, B. E. Conway, E. Yearger和R. E. White，全面论述电化学第3卷，静压出版社，美国纽约，纽约，1981年。
6. 马氏(K. Mazloomi, N. B. Salaiman, H. Moayedi)，“电解制氢的电效率”，vol. 7, pp. 3314-3326, 2012。视图:谷歌学者
7. V. M. Nikolic, G. S. Tasic, A. D. Maksic, D. P. Saponjic, S. M. Miulovic和M. P. Marceta Kaninski，“提高碱性水电解制氢效率-节能”，国际氢能杂志第35卷，no。22, pp. 12369-12373, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. M. J. Lavorante和J. I. Franco，“用于碱性水电解槽的改良表面316L不锈钢电极的性能”，国际氢能杂志，第41卷，no。23, pp. 9731-9737, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. 曾凯、张东，“碱性水电解制氢及其应用的新进展”，能源与燃烧科学进展“，第36卷第3期。3, pp. 307-326, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. S. M. Saba, M. Müller, M. Robinius，和D. Stolten，“电解的投资成本-过去30年成本研究的比较”，国际氢能杂志，第43卷，no。3, pp. 1209-1223, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. S. Srinivasan和F. Salzano，“与传统方法相比，水电解制氢的前景”，国际氢能杂志，第2卷，no。1，第53-59页，1977。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. P. Lettenmeier, R. Wang, R. Abouatallah, F. Burggraf, A. S. Gago, K. A. Friedrich，质子交换膜电解槽用涂覆不锈钢双极板，电化学学会杂志第163卷，no。11, pp. F3119-F3124, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. P. Vermeiren, W. Adriansens, J. P. Moreels和R. Leysen，“用于碱性水电解和Ni-H2电池的锆石®分离器的评价”，国际氢能杂志第23卷第3期。5，第321-324页，1998。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. 徐建军，刘国光，李建军，王晓霞，“以SnO2为载体和辅助试剂的IrO2/SnO2催化剂的电催化性能，”Electrochimica学报， vol. 59, pp. 105-112, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. M. Schalenbach, G. Tjarks, M. Carmo, W. Lueke, M. Mueller和D. Stolten，“酸性还是碱性?从新的角度看待电解水的效率电化学学会杂志第163卷，no。11, pp. F3197-F3208, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. M. R. Kraglund, D. Aili, K. Jankova, E. Christensen, Q. Li和J. O. Jensen，“在低KOH浓度下使用离子溶剂化聚合物电解质膜进行零间隙碱性水电解”，电化学学会杂志第163卷，no。11, pp. F3125-F3131, 2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. A. Delvaux, Q. Van Overmeere, R. Poulain，和J. Proost，“去合金镍薄膜电极的水电解过程中增强的氧析出，”电化学学会杂志第164卷第1期。12, pp. F1196-F1203, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. Lu X.和赵c .，“高电流密度下镍铁电极的电沉积研究”，自然通讯， vol. 6, pp. 1-7, 2015。视图:谷歌学者
19. P. Trinke, P. Haug, J. Brauns, B. Bensmann, R. Hanke-Rauschenbach，和T. Turek，“PEM和碱性水电解中的氢交叉:机制，直接比较和缓解策略，”电化学学会杂志第165卷，no。7, pp. F502-F513, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. H. Vogt，“气体演化电极的研究:电解液中溶解气体的浓度”，Electrochimica学报，第30卷，no。2，页265-270,1985。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. J. Chin Kwie Joe, L. Janssen, S. van Strelen, J. Verbunt，和W. Sluyter，“氯、氢和氧电极的气泡演化的气泡参数和效率，”Electrochimica学报，第33卷，no。6，第769-779页，1988年。视图:出版商的网站|谷歌学者
22. J. St-Pierre, N. Massé，和M. Bergeron，“分解旋转圆筒电极反应器中的溶解氧浓度”，Electrochimica学报，第40卷，no。第8页，1013-1024页，1995年。视图:出版商的网站|谷歌学者
23. A. R. Zeradjanin, F. La Mantia, J. Masa和W. Schuhmann，“尺寸稳定阳极催化剂层的利用-形态和活性表面积的相互作用，”Electrochimica学报， vol. 82, pp. 408-414, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学者
24. A. R. Zeradjanin, E. Ventosa, J. Masa和W. Schuhmann，“尺寸稳定阳极的催化剂层的利用”。第二部分:空间电流分布对电催化性能的影响电分析化学学报， vol. 828, pp. 63-70, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
25. 陈锐，V. Trieu, A. R. Zeradjanin等，“阳极涂层对电化学氯析出反应的微观结构影响，”物理化学化学物理第14卷第4期。20, p. 7392, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学者
26. c·l·特尔Engenieria Electroquimica， McGraw-Hill图书公司，Editorial Reverte，西班牙，第四版，1980年。
27. j . O。Bockris和A. K. N. Reddy现代电化学:一个跨学科领域的导论第2卷，《回敬编辑》，西班牙，1980年。
28. g . Kortum论述电化学，爱思唯尔出版公司，英国伦敦，第二版，1965年。
29. M. J. Lavorante, C. Y. Reynoso和J. I. Franco，“以锆芳®为分离器，NaOH为电解质的水电解”，海水淡化及水处理第56卷第4期。13, pp. 3647-3653, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
30. M. J. Lavorante, J. I. Franco, P. Bonelli, G. M. Imbrioscia和H. J. Fasoli，物理学论文集155，第30章, 2014年。

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