如何选择 AEM 测试电池：先看电源，再定面积

我们生产 HXS-0——一款用于阴离子交换膜（AEM）水电解的科研测试电池，我们自己的实验室每天也在使用同款单电池。韩国的科研院所和高校也曾用它进行单电池测量。

我们反复被问到三个问题：单电池能否小到 1 × 1 cm，25 cm² 的单电池是否够用，以及除了单电池之外还需要什么。遇到这些问题时，我们首先问的不是活性面积，而是您实验室的电源。本文说明其中的原因，以及下单前需要确定哪些事项。

• 根据仪器的最大电流确定活性面积。在 5 A 下，25 cm² 单电池只能达到 0.2 A/cm²。
• 不要按电极厚度来选垫片。不同基底的压缩量不同，垫片厚度应通过压紧试验确定。
• 仅有单电池还构不成测试。循环泵、电解液罐、加热和气体测量必须一并规划。
• 要得到可靠的比较，应重新组装并复测基准构型，确认重新组装带来的离散小于您所声称的改进幅度。

先看电源，再看活性面积

人们首先想到的数字往往是活性面积。但要达到某一电流密度所需的电流与面积成正比，所以应首先确认的是恒电位仪或电源能够输出的最大电流。

把目标电流密度与这一最大电流放在一起看。下表用 5 A 的最大电流除以活性面积。

要在 25 cm² 单电池上测到 1 A/cm²，需要 25 A，5 A 的仪器无法提供。这就是要先看仪器的原因。根据电压量程和材料的不同，实际可用范围可能还要更窄。

请按具体型号确认最大电流。同一厂商的仪器配合电流放大器可达数十安培。请将型号和放大器规格发给我们，我们会与您一起核对。

对于小面积需求，我们的标准建议是一台 4 cm²（2 × 2 cm）单电池，配以缩小面积的垫片。配备 4、2、1 cm² 三种垫片后，一台单电池可覆盖三种面积。更换垫片时流场保持不变，因此组装指南说明了各垫片与电极尺寸如何对应。如果您只会使用 1 cm²，我们会按该尺寸加工流场；HXS-0 流场可在 1 至 25 cm² 范围内制作。

单电池结构与样品尺寸

用我们的 HXP 电极组装单电池时，先在底部的阳极侧硬件上放一片垫片，阳极置于垫片开口内。其上放膜，再放第二片垫片并将阴极置于其中，然后放上阴极侧硬件并压紧。垫片是围绕电极的一圈框，膜则夹在两片垫片之间实现密封。HXP-ca 需将催化层一面朝向膜；HXP-an 没有方向要求。

HXS-0 标称的活性面积即垫片开口的面积，电极按该开口裁切。电极若大于开口，会压到垫片上，导致压紧不均匀。电流密度按标称活性面积计算，因此组装时请确认电极恰好填满开口。

膜应该多大？只比电极略大的膜也能组装，但密封边很窄，泄漏风险会上升。裁成垫片尺寸可以使用；裁成双极板外形（不含接线端子）最好。

以上描述的是将催化剂涂覆在基底上、置于膜两侧的电极。若使用催化剂涂覆膜（CCM），催化层位于膜上，两侧外面各放一层多孔传输层（PTL），因此请分别告知膜的外形尺寸、两侧的涂覆面积以及传输层尺寸。

下单时，除活性面积外，请一并提供以下信息：

相同的面积可以有不同的形状。4 cm² 的开口可以是 2 × 2 cm，也可以是 1 × 4 cm，二者是不同的垫片。图纸比单一数字更精确。

不要按电极厚度来选垫片厚度。泡沫镍、碳纸和碳布在压紧时的压缩程度各不相同，泡沫镍的压缩量尤其大，因此仅凭电极的标称厚度无法确定垫片。我们的标准电极阳极采用泡沫镍、阴极采用碳纸，HXS-0 也可使用碳布电极。可靠的做法是用几种候选厚度分别组装，再根据密封性和单电池性能来决定。

出于同样的原因，也不要照搬其他单电池的拧紧扭矩。拧紧顺序和扭矩取决于单电池和材料；HXS-0 的相关要求见组装指南。

单电池周边需要什么

单电池容纳的是膜电极（MEA）。供电、电解液循环、温度保持和气体测量都由单电池外部的设备完成，因此只订购单电池与订购整套装置，供货范围差别很大。

围绕 4 cm² 单电池的整套装置，我们建议的配置如下：

1. HXS-0 单电池 1 台（活性面积 4 cm²，阳极和阴极均有进出口）
2. 垫片 3 套（4、2、1 cm² 用）
3. 电解液罐 2 个（每个 2 L，阳极、阴极各一，兼作气液分离器）
4. 循环泵 2 台（耐碱，额定 80 °C）
5. 加热磁力搅拌器 2 台
6. 管路与接头（含氢气、氧气出口及排气口）
7. MEA 1 套及备用膜（如随单电池订购 MEA）
8. 组装与操作指南 1 份

配两台泵是有原因的：同一单电池既可以在阴极干态（仅阳极循环）下运行，也可以两侧同时循环。两种方式的管路连接与切换见组装与操作指南。我们 HXP 电极的参考数据是在阴极干态下测得的，与之对比时请让阴极保持干态。采用阴极循环时，氢气会随电解液一起排出，因此阴极侧需要单独的储罐和加热器。

如果计划测量气体，请确认出口。HXS-0 设有独立的氢气出口和氧气出口，无需改装单电池即可收集气体。

在氢气管路上安装质量流量计（MFM）即可得到法拉第效率。根据流量计的参比温度和压力，将读数（SCCM 等）换算为摩尔流量（mol/s），再在电流和流量稳定的时段内除以理论氢气摩尔流量 I/(2F)；其中 I 为电流，F 为法拉第常数。应先将气体与电解液分离，并在流量计之前除去冷凝水和水分——即使阴极为干态，出口气体也含有水。气流中的水分或其他气体会使效率读数偏高，因此应基于氢气摩尔流量计算，并考虑气体成分和流量计的气体设定。

同时测量两种气体需要两台流量计。若一台流量计轮流使用，应选择兼容两种气体的型号，每次切换气体设定并充分吹扫。通风和氢气安全措施遵照贵实验室的规定。

从基准构型开始比较

如果新膜降低了单电池电压，只有在其他条件完全相同时，才能把这一变化归因于膜：电极、活性面积、电解液浓度和温度均相同，且电流密度按同一活性面积计算。

垫片的情况略有不同。膜厚度变化时，同一垫片未必能给出相同的压缩量。不必为了保持垫片不变而忽视实际压缩情况，应记录具体改动及其原因。每次运行都记下样品批次、预处理、垫片和组装顺序，解读结果时才有据可依。

实测单电池电压和电阻校正后的电压应分别记录。校正电压等于实测电压减去电流与校正所用电阻的乘积（I × R），因此还要记录所用的电阻值及其获取方式。比较不同的膜时，膜电阻的差异本身就是性能的一部分，所以两个数值都要看。

最重要的检查是重新组装基准构型并再次测试。如果重新组装带来的离散与新材料带来的改进相当，单条极化曲线就无法证明该材料更好。这也是单电池是否便于更换样品、重新组装如此重要的原因。

欧盟委员会联合研究中心（JRC）发布了低温水电解的统一极化曲线测试方法，设定测试条件时可作为有用的参考。

来源JRC: EU harmonised polarisation curve test method for low-temperature water electrolysis (2018)

先做单电池，再做短堆

材料比较最好从单电池开始：结构比多电池简单，样品也更容易更换。

短堆回答的是另一个问题。多个单电池共享流体分配，组装方式也不同，因此要检验的是同一材料在各单电池之间是否表现一致。电堆总电压可能掩盖单电池之间的差异，所以在增加单电池数量之前，先确定如何测量每个单电池。以单电池结果为基准，并记录面积、流量、压紧和测量方面的变化。

订购 HXS-0 时需要明确的参数

HXS-0 根据上述要点按订单制造。活性面积、单电池数量和流场构型在制造前商定，标准交货期为订单受理且规格确定后 4 周。

80 °C 是单电池本身的上限。被测的膜和电极可能需要更低的温度，请同时确认所用材料的耐受极限。

对于初次使用该单电池的实验室，我们建议到我们现场亲自组装和运行。交货时一次性完成安装和培训，往往没有足够时间进行实际操作。在我们现场，我们会用真实设备演示从小型单电池到电堆的组装和运行，之后在安装和运行全过程中提供技术支持。

询价时请提供的信息

有了以下信息，我们可以在报价前确认您的样品和设备是否匹配：

1. 电源型号和最大电流。
2. 所需的活性面积，以及是只用一种面积还是要比较多种面积。
3. 膜和电极基底的种类、尺寸、厚度及预处理状态。
4. 运行条件，例如电解液、温度以及阴极是否循环。
5. 哪些材料由您提供，以及是否需要随单电池一并提供 MEA 和周边设备。