镍泡沫电极厚度对零间隙碱性水电解槽中气泡产生的欧姆电阻的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Influence of nickel foam electrode thickness on bubble-generated ohmic resistance in zero-gap alkaline water electrolyzers

碱性水电解器中镍泡沫电极厚度优化研究。通过电化学阻抗谱、脉冲电解及极化分析，系统揭示了1-3mm厚电极对活性表面积、气泡引起的欧姆过电位（降低12.09%）及气体空隙分数（<28.40%）的影响规律。实验表明3mm厚电极在80℃、0.8A/cm2下实现2.257V电压及99.11%法拉第效率，证实适当增厚可平衡表面积扩展与气泡阻力增加的矛盾关系。

　　

罗伯托·莫雷诺-索里亚诺（Roberto Moreno-Soriano）|阿比萨伊德·马丁内斯-塞普蒂莫（Abissaid Martínez-Séptimo）|胡安·曼努埃尔·桑多瓦尔-皮内达（Juan Manuel Sandoval-Pineda）|罗莎·德·瓜达卢佩·冈萨雷斯-韦尔塔（Rosa de Guadalupe González-Huerta）

墨西哥国立理工学院，物理与数学高等学院，墨西哥国立理工学院大道（Av. Instituto Politécnico Nacional），无门牌号，9号楼，墨西哥城，邮编07738

摘要

零间隙碱性水电解器是一种成熟且成本效益高的技术，适用于大规模绿色氢气生产；然而，在工业电流密度（>0.5 A cm^?2）下，其效率仍然有限。电极厚度对气泡引起的过电位和欧姆电阻起着关键作用，尤其是在高电流密度下。本研究系统地探讨了裸镍泡沫（厚度1–3毫米，孔隙率110 PPI，约97%）在5平方厘米零间隙电池中的影响，该电池使用Zirfon?隔膜。电化学阻抗谱、脉冲电解和极化分析表明，较厚的电极通过增加电化学活性表面积、减少与气泡相关的欧姆损耗（12.09%）以及降低气体空隙率（<28.40%）和最小化迂曲度（τ ≈ 1.02）来提高HER性能。一个3毫米厚的电极在0.8 A cm^?2和2.257 V的条件下稳定运行，达到了99.11%的法拉第效率。

引言

可再生能源可以替代化石燃料，减少温室气体排放，并提高能源安全。然而，其大规模应用面临与能量储存相关的重大挑战。整合氢技术对于缓解当前可再生能源系统的间歇性和储存限制至关重要。因此，由可再生能源电力驱动的水电解在向低碳全球经济转型中发挥着关键作用[1,2]。

提高碱性水电解（AWE）的成本竞争力需要增加操作电流密度（>0.5 A cm^?2

本研究专门关注在碱性零间隙电池中使用的高孔隙率（每英寸110个孔，PPI）裸镍泡沫（NF）电极。NF作为一种多孔电极材料，在工业应用中表现出巨大潜力，因为它具有较大的比表面积、机械柔韧性、高电导率和开放孔结构。先前的研究已经评估了孔隙方向[28,29,35,36,40]、孔径[12,20,22,24,29,35]和电极厚度[12,13,21,22,27,33,35,38]对气泡脱离和整体性能的影响。孔径和分布对气泡行为至关重要；例如，Rocha等人[20]量化了孔径（450–3000 μm）和电解质流速对NF气泡去除效率的影响，发现较小的孔径会加剧捕获现象，需要更高的流速来清除气泡，而较大的孔径虽然牺牲了ECSA，但可以在较低流速下促进气泡脱离。此外，电极厚度决定了活性位点的可用性和气泡形成动态。Zhang等人[27,35]和Kroy等人[33]证明，在高孔隙率（110 PPI）下增加NF厚度可以增强ECSA和氢气析出反应（HER）性能，产生更小、临界脱离直径更小且停留时间更短的气泡。孔隙密度与孔径成反比，从而影响气泡的演化。较低的孔隙密度具有较大的孔径，有助于气体-液体传输，而较高的孔隙密度则最大化ECSA，增加气泡形成位点[33,35]。Kragh-Schwarz等人[39]利用操作中子放射成像技术研究了NF电极中的气体分布和气泡动态，发现固定的气泡占据了电极腔室体积的4–8%。

尽管在理解镍泡沫中的气泡行为和电化学性能方面取得了显著进展，但在电极厚度、欧姆电阻和零间隙结构中的电压损失机制之间的相互作用方面仍存在知识空白。先前的研究[21,22,24],[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37],[38],[40],[41],[42],[43]主要针对多孔结构（孔隙密度、厚度、大小和方向）进行了优化，以改善性能和调节气泡动态。增加电极厚度从根本上改变了气泡的产生和传输，影响了电池性能。较厚的电极提供了更多的活性位点，减少了局部气泡覆盖和饱和度，同时提高了单位几何面积的氢气产量。假设孔径足够大以防止气泡捕获，较厚的电极预计会产生更多的氢气体积。然而，延长离子传输路径会增加溶液和气泡流动的阻力，可能导致欧姆过电位随着厚度的增加而急剧上升，尤其是在高电流密度下。因此，必须存在一个最佳的泡沫厚度，既能最大化氢气产量和气泡去除效率，又能最小化气泡引起的欧姆损耗。现有文献尚未在操作条件下定量分离气泡引起的欧姆电阻和质量传输过电位。因此，电极厚度对气体空隙率和电流密度依赖的欧姆电阻的精确影响尚未量化。本研究通过系统地改变电极厚度来探讨这一点，以确定ECSA的增益是否能够抵消与欧姆电阻和气泡捕获相关的惩罚。

零间隙设计本质上将气泡限制在多孔电极内。提高气泡排出能力和ECSA，同时减轻激活和欧姆过电位，对于在高电流密度（>0.5 A cm^?2）下优化零间隙AWE性能至关重要。虽然较厚的电极提供了更多的活性位点，从而降低了局部气泡饱和度并可能有助于气泡的去除，但较高的电流密度会通过孔隙堵塞和气泡流动阻力加剧质量传输限制，最终降低电池效率。因此，阐明电极厚度对气泡引起的欧姆电阻、气体空隙率和整体效率的具体影响至关重要。本研究系统地评估了裸镍泡沫电极（厚度1–3毫米，孔隙率约97%）的厚度对零间隙碱性电解器中电化学性能、欧姆电阻和气泡捕获的影响。

采用了先进的操作技术（电化学阻抗谱、计时电位法、极化曲线和脉冲电解）和离体表征（三电极HER评估）来分离ECSA扩展、电子/离子传导和气泡动态之间的竞争效应。气体空隙率使用Bruggeman关系式[38,43]计算得出。结果强调了在厚度引起的ECSA增益与气泡引起的过电位、欧姆/接触电阻和气体空隙率之间取得平衡的必要性。对于高电流密度操作，确定了3毫米厚、孔隙率为110 PPI的理想厚度（使用商用裸镍泡沫）。通过系统分析厚度、孔隙率和操作条件之间的相互作用，本研究为优化零间隙结构提供了可行的见解。这些发现推动了可扩展、高性能碱性电解技术的发展，使其能够承受工业电流密度。

部分摘录

零间隙电解器的设计和组装

设计并制造了一个实验室规模的零间隙碱性电解器，其有效几何面积为5平方厘米。电池硬件包括不锈钢（AISI 304）端板（厚度6毫米）、镍箔单极板（厚度1毫米，无流场）、EPDM垫圈（厚度1–3毫米，根据电极组装进行调整）、聚氧甲基乙烯绝缘板和中心销。组装过程中使用了八个M6螺栓，以受控扭矩进行交叉紧固。

电压损失贡献和气泡电阻分离

电池电位直接决定了氢气生产所需的能量消耗，并随施加的电流密度而变化。总电池电压E_cell是可逆电池电位E_rev、阳极的动态过电位η_anode、阴极的动态过电位η_cathode以及总欧姆降IR_total（公式（6）之和：$E_{cll}=E_{rev}+{\eta }_a+{\eta }_c+I{R}_{tot\mathrm{al}}$

在高电流密度下，欧姆损耗近似线性增加，并成为总过电位的主要贡献因素。

结论

本研究系统地优化了裸镍泡沫电极（孔隙率110 PPI）的厚度，用于碱性零间隙电解器。通过使用先进的操作电化学技术，定量分离了气泡引起的欧姆电阻和质量传输过电位。在零间隙结构中，较厚和多孔电极材料所观察到的性能提升由两个基本机制驱动：

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增强的表面积：较厚的电极提供了

CRediT作者贡献声明

罗伯托·莫雷诺-索里亚诺（Roberto Moreno-Soriano）：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、概念化。阿比萨伊德·马丁内斯-塞普蒂莫（Abissaid Martínez-Séptimo）：撰写——审稿与编辑、监督、研究、形式分析。胡安·曼努埃尔·桑多瓦尔-皮内达（Juan Manuel Sandoval-Pineda）：验证、项目管理、资金获取。罗莎·德·瓜达卢佩·冈萨雷斯-韦尔塔（Rosa de Guadalupe González-Huerta）：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢墨西哥国立理工学院（IPN）对以下研究项目的支持：多学科项目SIP-2388（2025-2027）、创新项目 SIP 20254896和项目SIP-PRORED 20254750。此外，SECIHTI通过项目ApoyoLN-2025-I-26提供了额外支持。