碱性电解电极（镍丝网或拉伸网或其他方式表面做催化工艺）作为碱性电解槽的核心部件，重要性不言而喻。早些年，电解槽多数使用稳定供电进行电解水制氢用于高价值项目，因此对于制氢的效率、成本关注度较低，对于作为关键零部件的电极关注度更是甚少。加之电解槽本身市场容量小，对电极的研究投入和关注度也就更少。也因此在过去的20余年，电极的技术迭代、质量及稳定性，以及性能的检测和表征手段方面几乎没有太大的发展。
碱性制氢电极其本质上就是在金属表面做工艺或涂覆，也属于金属表面处理这一大的行业分类里面，所以从工艺层面来看，如热喷涂、等离子喷涂、冷喷涂、电镀、CVD、PVD、热分解，甚至原位生长等等，这些工艺本身并不是什么新鲜事物，在很多行业里面本身也都有应用，且这些工艺对应的多数产品要求和验证都比较严谨，或者有标准可依。但是在作为碱性电解电极细分应用领域这个场景，在碱性电解水制氢电解槽开始使用雷尼镍催化电极时，对电极的要求仅有每平方米增重240g克到300克；电极卷曲成卷运输时催化涂层不脱落，之外再无其他要求。而且很多从纯手工的热喷制程以及对性能测试除了上槽测试也几乎没有其他有效表征手段，但随着碱性电解水制氢的大规模发展，市场不仅对于电解槽的能耗、成本以及寿命、稳定性提出了更高的要求，同样对于电极也提出了更高的要求。
随着新生力量的纷纷入局，这些力量从不同的行业也带来了新的质量管理理念，电解槽企业开始对制氢电极的质量、性能、稳定性、寿命提出更高的要求。对于电极等核心零部件的生产制造和验收标准也提出了更高的要求，仅仅参照以前的出货标准生产的电极各种问题点也逐渐暴漏在公众面前。同时在猛然间的电解槽市场需求喷发之际电极行业发展也有些无序，在巨大蛋糕的市场预期之下，越来越多的企业参与到了这个电极供应环节，而且良莠不齐。
一、电极性能特征表征
特备说明需要明确测试条件：
测试温度80 °C，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为30 wt% KOH，测试溶液电阻为0.131Ω，测试结果未加补偿，测量误差±5 mV。
2、抗逆电流性能
在碱性电解水系统中，存在间歇性供电所带来的负荷波动限制，在阳极和阴极之 间的电位差通过双极板的电子（e-）路径和通过歧管的氢氧根离子（OH-）路径会引发逆向电流，本质上是“原电池”自发放电过程，这一过程导致部分电流流向与正常电解电流方向相反，会在电极表面发生阴极氧化和阳极还原，对阴极材料影响较大，最终可能会导致电解槽性能下降。因此，为了探究大标方电解槽启停过程对阴极催化层性能造成的影响，电极的抗逆电流性能可作为关键指标。在三电极体系下，对阴极施加一段时间正向电流来模拟逆电流对电极的影响。下图为循环施加7次15分钟+2000 A/m2的逆电流，观察电极在-5000A/m2电密下过电位的变化。下面是测试例图：
为了进一步测量电极抗逆电流的大小，可分别测试不同逆电流冲击下电极的性能， 结果如下图所示。
二、电极结构表征
1、微观结构表征
采用扫描电镜（SEM）对电极涂层的微观形貌进行观察，看表面的多孔结构和粗糙度。
通过EDS能谱获得电极表面涂层的元素含量，结果如下表所示。电极主要元素为镍，含量达到94.5 wt%，铝残留仅为1.9%。
通过分析电极涂层截面形貌，可以直观地看出涂层截面微观结构，表面片层状镍颗粒与颗粒之间存在缠绕包裹现象，这对于防止表面镍颗粒的脱落具有重要意义。通过EDS线扫描分析可以进一步分析涂层不同深度处元素分布，铝主要残留在缝隙中，随着深度增加，铝含量轻微增加，内层铝残留略微多。
2、电化学活性面积（ECSA）
ECSA是指电化学活性面积，即参与电化学反应的有效面积。本测试采用双电层电容法对电化学活性面积进行评价。
3、涂层结合强度
测试方式为：采用超声波震动测试涂层结合强度，通过测试超声波前后重量变化表征电极涂层的抗气泡和液流的扰动能力。电极样品超声处理一定程度上可以反映电极涂层在电催化过程中抵抗液流和气泡扰动的能力，超声波后的电极失重率可表明电极涂层脱落情况。测试例图如下表所示：
特别说明测试条件：
测试温度为60℃，溶液为质量浓度20 wt% KOH，超 声时长2 h，超声功率300 W，超声处理后样品清洗烘干称重。
3.2、测试超声波震动后性能情况
超声处理后的性能如下图所示，极化曲线几乎重合，表明超声前后电极性能几乎没有发生改变。
超声后电极的微观形貌如下图所示，超声处理后涂层未发现明显脱落、开裂等现象，表明电极涂层具有良好的结合强度，能够抵抗液流和气泡的冲刷。
3.4、超声波后的组分分析
超声处理后的电极EDS元素含量如下图所示，超声处理前后元素含量变化小， 铝和氧含量仅略微增加，这主要是由于残留的铝在强碱和超声作用下析出，吸附于电极表面。
3.5超声后截面图和组分分析
测试样品经过超声波处理后涂层截面如下图所示，与超声前相比，涂层无明显变化， 未出现脱落开裂等不良现象，进一步表明涂层超高的结合强度。通过EDS线扫描分析可以进一步分析不同厚度涂层元素分布，如下图所示，可以看出涂层内铝残留极低，这是由于强碱中超声析出大部分铝。
三、实际装机性能测试
1、实际装机测试性能以及能耗
测试条件：阳极为光镍网，阴极为BSL一代电极，电极直径252 mm，氢槽温度82 ℃， 共10个小室，结构为平板支撑，使用菱形支撑网，碱液流量0.25 m3/h，隔膜使用月莫 隔膜，面电阻为0.2 Ω·cm2，气密性大于500 mm水柱，共计开机五天。下图为10个小室的小室电压随电密的关系，以及不同电密下平均小室电压和对应能耗。
下表为电极开机后重量变化，装堆后除10号小室外，重量均没有明显变化，10号小室为端板效应，与电解槽结构设计有关。
2.2、电镜（SEM）下形貌变化
电解槽开机五天后电极微观形貌变如下图，可见与初始测试样品形貌无明显区别， 无脱落开裂等现象出现。
2.3、组分变化
开机后电极元素组成如下，与初始样品相比，氧含量提高较多，铝含量略微减 少。铝在碱液中析出消溶，氧含量提高主要来源于镍在碱中钝化形成的保护层。
2.4、电镜扫描电极截面以及截面成分分析
下图为测试样品开机拆解后截面SEM照片，涂层无脱落、开裂等现象，以及样品截面EDS元素分析，可以看出开机后涂层中铝元素几乎消失， 表明涂层内部在开机几天后几乎不含铝元素。
四、稳定性测试
1、装机1000h的测试数据
稳定性是电极另一个重要的实际应用标准，被公认为是HER电催化剂决定能否商业化的关键参数。研究发现，很多因素都会极大限制电极的耐久性，包括电活性组分在实际运行中的化学/电化学稳定性差而导致的浸出，电催化剂的聚集，机械稳定性差等，因此，电极稳定性测试是电极优化过程中重要考量基础。下图为测试样品电极在80℃下，30 wt% KOH中运行1000 h的电压时间曲线，恒定电流密度为4000A/m2，电极过电位无明显变化，表现出优异的稳定性，初始1000 h的衰减率低于5 μV/h。下表为测试样品在恒电流运行1000h后的重量变化：
2、运行1000h后拆机后的电极性能测试
2.1、外观形貌
电极恒电流运行1000小时后电极表面微观形貌如下图所示，催化涂层无明显减少， 与初始样品形貌相近，表明电极机械稳定性优异。
2.2、成分变化
以上仅给大家分享保时来新材料有限公司这家企业的电极测试和验证流程，并不特指强调某款产品，测试尽管已经比较完善，但也不代表没有改善空间，在耐久性上或许还可以挖掘到更接近实际工况下又能加速表征的方式，仅希望借此能促进更多的碱性电极测试企标、团标、直到国标的建立，对电解槽寿命和性能的保证非常必要、对电解制氢行业进步来说也非常必要！
