氢燃料系统的制作方法

背景技术：
：在氢燃料供应站中，电解槽可用于生成氢气。技术实现要素：在本说明书的一些方面中，提供了一种用于按需生成氢气的氢燃料系统。该氢燃料系统包括：电解槽，该电解槽被配置成当在不小于预定电流密度下运行时在预定时间内生成至少预定量的氢气并且在预定时间内提供至少预定的电能；运载工具油箱加注系统，该运载工具油箱加注系统连接到电解槽并且被配置成用由电解槽生成的氢气至少部分地填充运载工具的油箱；以及电能储存系统，该电能储存系统电连接到电解槽。预定量的氢气为至少1kg的氢气，预定时间为不超过30分钟，并且预定电流密度为至少5a/cm2。电能储存系统能够在预定时间内供应预定电能的至少20％。在本说明书的一些方面中，提供了一种用于按需生成氢气的氢燃料系统。该氢燃料系统包括被配置成生成氢气的电解槽，以及运载工具油箱加注系统，该运载工具油箱加注系统连接到电解槽并且被配置成用由电解槽生成的氢气至少部分地填充运载工具的油箱。电解槽包括具有相对的第一主表面和第二主表面的质子交换膜、处于质子交换膜的第一主表面上的阴极，以及处于质子交换膜的第二主表面上的阳极。阳极包含(a)离聚物粘结剂，以及(b)分散在整个离聚物粘结剂中的多个针状颗粒。针状颗粒包括细长芯，该细长芯具有位于细长芯的表面的至少一部分上的催化材料层。催化材料包含铱。细长芯包含多核芳香烃、杂环化合物或它们的组合中的至少一种。附图说明图1a至图1b是电解槽的示意图；图2a至图2b是氢燃料系统的示意图；图3是针状颗粒的示意性剖视图；图4至图5示出了各种阳极的电池电压对电流密度的关系；并且图6示出了各种电解槽在1.5伏的电池电压下的电流密度对电极负载量的关系。具体实施方式在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。电解槽是可用于基于输入反应物(例如，水或二氧化碳)产生氢、一氧化碳或甲酸等的装置。本说明书主要涉及利用电解槽生成氢气的氢燃料系统，该氢气可用于至少部分地填充运载工具的油箱。被配置成生成氢气的电解槽利用水作为输入反应物。在一些实施方案中，电解槽的电极中的至少一个电极包括纳米结构化薄膜(nstf)催化剂层，例如，如pct公布wo2016/191057和美国申请15/575454中所述。在一些实施方案中，本文所述的包含其上具有催化剂的针状颗粒的组合物用于电解槽的阳极中，以提供增加的每单位催化剂的产氢速率。在一些实施方案中，本文所述的电解槽被配置成当在不小于预定电流密度下运行时在预定时间内生成至少预定量的氢气，并且在预定时间内提供至少预定的电能。由于这些量可在对包括电解槽的氢燃料系统进行运行之前确定，所以这些量被称为预定量。预定量的氢气和预定时间可以作为所期望应用的规格给出。例如，乘用车燃料补给、或运货卡车燃料补给、或仓库叉车燃料补给、或火车燃料补给、或飞机燃料补给对于指定时间内所需的氢气量可各自具有不同的规格。在一些情况下(例如，在用于乘用车的氢燃料供应站中)，可能期望在相对短的时间内(例如在15分钟内)同时对多个运载工具(例如2至10个)燃料补给。在这种情况下，预定量的氢气与期望燃料系统能够同时填充的指定最大运载工具数量成比例。对于给定的电解槽，在预定时间内产生预定量的氢气所需的电流密度可从电解槽的质子交换膜的面积来确定。另选地，可指定预定电流密度，并且在预定时间内产生预定量氢气所需的膜面积可以被确定。提供给电解槽的电能可从产生给定电流密度所需的已知或测量的施加电池电压来确定。在一些实施方案中，预定量的氢气为至少1kg、或至少2kg、或至少3kg、或至少5kg、或至少7kg的氢气。在一些实施方案中，预定时间为超过30分钟、或不超过15分钟、或不超过12分钟、或不超过10分钟、或不超过7分钟、或不超过5分钟。在一些实施方案中，预定电流密度为至少5a/cm2、6a/cm2、7a/cm2、8a/cm2、9a/cm2、10a/cm2、12a/cm2、14a/cm2、16a/cm2、18a/cm2、或20a/cm2。在一些实施方案中，在预定时间内向电解槽供应至少预定的功率密度(每单位膜面积的功率)。在一些实施方案中，预定功率密度为至少10w/cm2、12w/cm2、14w/cm2、16w/cm2、18w/cm2、20w/cm2、25w/cm2、30w/cm2、35w/cm2、40w/cm2、50w/cm2、或60w/cm2。在一些实施方案中，预定能量为至少35kwh、40kwh、50kwh、100kwh、200kwh、500kwh、1000kwh、2000kwh、5000kwh、或10000kwh。在一些实施方案中，为了使电解槽能够在期望或预定时间内提供期望或预定量的氢气，需要通过电解槽的较大电流和相应的较大电功率。在一些情况下，外部电源连接不能在预定时间内提供预定电能。例如，外部电源连接可被限制为提供100a的最大电流，并且在一些情况下，在整个预定时间内通过电解槽的100a的电流不足以产生预定量的氢气。在一些实施方案中，加氢系统包括电连接到电解槽的电能储存系统。氢燃料系统然后可供应有外部电源连接，该外部电源连接被配置成给电能储存系统再充电。在一些情况下，电解槽可由电能储存系统和外部电源连接两者供电，并且可在至少一些运行模式下主要由电能储存系统供电。通常优选的是电能储存系统能够在预定时间内供应预定电能的至少大部分(例如至少20％)(例如，通过从化学、机械和/或热储存的能量产生电能)。在一些实施方案中，电能储存系统能够在预定时间内供应或被配置成供应预定电能的至少20％、或至少40％、或至少60％、或至少80％、或至少100％。在一些实施方案中，电能储存系统能够在预定时间内供应或被配置成供应预定电能的至少2倍、或至少3倍、或至少4倍、或至少5倍。例如，预定电能可由对应于填充一个运载工具的预定量的氢气来确定，并且电能储存系统可以能够提供足够的能量来填充若干运载工具。包括具有阳极105的膜电极组件100的示例性电解槽示意性地示出于图1a中。相邻的阳极105是具有相对的第一主表面和第二主表面的质子交换膜104。阴极103与质子交换膜104相邻位于其第一主表面上，而阳极105与质子交换膜104的第二主表面相邻。气体扩散层107(其可另选地称为流体传输层)位于阴极103的相邻位置。质子交换膜104是电绝缘的，并且允许氢离子(质子)穿过膜104而不允许产物气体穿过。在用于水电解的运行中，将水引入膜电极组件100的阳极105中。在阳极105处，水被分成分子氧(o2)、氢离子(h+)和电子。氢离子扩散通过质子交换膜104，同时电势117将电子驱动到阴极103。在阴极103处，氢离子与电子结合以形成氢气。离子传导性膜在产物气体之间形成耐用的、无孔的、非导电性机械屏障，但它也易于传递h+离子。气体扩散层(gdl)有利于反应物和产物水向阳极和阴极电极材料传输和从阳极和阴极电极材料传输并传导电流。在一些实施方案中，将所述阳极和阴极电极层施加到gdl以形成催化剂涂布的背衬层(ccb)，并且所得的ccb被夹置于pem中以形成五层mea。五层mea的五个层依次为：阳极gdl、阳极电极层、pem、阴极电极层和阴极gdl。在其它实施方案中，将阳极和阴极电极层施加到pem的任一侧上，并且所得的催化剂涂布膜(ccm)夹置于两个gdl之间以形成五层mea。在运行中，将五层mea定位在两个流场板之间以形成组件，并且在一些实施方案中，将多于一个的组件堆叠在一起以形成电解槽组。在一些实施方案中，期望在比水电解槽中常用的压力更高的运行压力下(例如，5mpa、10mpa、15mpa、20mpa、30mpa、40mpa、50mpa、60mpa、70mpa、80mpa，或在这些压力中任两者之间的范围内，或在大于这些压力中任一者的压力下)运行氢燃料系统的电解槽。水电解槽阴极上较高的运行压力造成了称为氢气跨越的情况，其中氢气(h2)从产生其的阴极穿过pem，回到阳极。这种情况不仅造成效率损失，而且在一些情况下造成不期望量的h2与阳极气体(o2)混合(例如，超过4体积％，这约为爆炸下限(lel))。根据本说明书的一些实施方案，这种氢气跨越通过使金属pt或pt氧化物包含在质子交换膜中来显著减少。包括包含质子交换膜104b和任选的第二气体扩散层109的膜电极组件100b的示例性电解槽示意性地示于图1b中。在一些实施方案中，质子交换膜104b包含金属pt或pt氧化物中的至少一种。在一些实施方案中，质子交换膜104b中金属pt或pt氧化物中的至少一种的至少一部分存在于载体上(例如，载体137a和/或载体137b的表面的至少一部分上)。在一些实施方案中，质子交换膜104b中金属pt或pt氧化物中的至少一种的至少一部分分散在膜104b的至少一部分中。在例示的实施方案中，金属pt或pt氧化物136a和136b分别设置在载体137a和137b上。载体可包括分散在膜104b中的多个颗粒。在图1b的示意图中仅示出了两个颗粒，但应当理解，可以包括更多的颗粒。在一些实施方案中，载体包含碳、氧化锡、al2o3、tio2、zro2、hfo2、ta2o5、nb2o5、聚酰亚胺和苝红中的至少一种。在一些实施方案中，载体包括离散颗粒(例如137a，137b)，其可为上文列出的用于载体的任何材料的颗粒。在一些实施方案中，离散颗粒包括离散球体(例如137a)或离散细长颗粒(例如137b)中的至少一种，诸如长径比为例如2:1至10:1的棒状结构。在一些实施方案中，电解槽包括膜104b，该膜具有相对的第一主表面和第二主表面并且包含金属pt或pt氧化物中的至少一种；处于膜的第一主表面上的阴极，该阴极包含第一催化剂，该第一催化剂基本上由金属pt或pt氧化物中的至少一种组成(即基本上由金属pt组成，基本上由pt氧化物组成，或基本上由金属pt和pt氧化物两者组成)；以及处于膜的第二主表面上的阳极，该阳极包含第二催化剂，该第二催化剂包含基于第二催化剂的总重量计至少95重量％(在一些实施方案中，至少96重量％、97重量％、98重量％、或甚至至少99重量％)的总体金属ir和ir氧化物，以元素ir计算(应理解如果存在任何载体，则不包括任何载体)，其中存在金属ir或ir氧化物中的至少一种。基本上由金属pt或pt氧化物中的至少一种组成的第一催化剂具有不超过2重量％(在一些实施方案中，不超过1重量％)的任何其他催化剂。在一些实施方案中，质子交换膜104b包含其中分散有多个离散颗粒的离子导电聚合物，颗粒包括聚酰亚胺芯和其上的涂层，涂层包含金属铂和铂氧化物中的至少一种。在一些实施方案中，颗粒为基本上球形并且具有小于10μm(微米)的直径。在一些实施方案中，涂层具有小于25nm的平均厚度。在一些实施方案中，质子交换膜104b包括机械支撑件，诸如非织造材料、织造材料和穿孔片材中的至少一种。关于包括包含金属pt或pt氧化物中的至少一种的膜的电解槽的更多细节可见于pct申请ib2018/052145(lewinski等人)以及标题为“铂涂布的聚酰亚胺颗粒及其制品”(“platinum-coatedpolyimideparticlesandarticlesthereof”)并且于2018年5月1日提交的美国临时申请62/665001中。其他可用的电解槽或用于电解槽的部件描述于美国专利6,004,494；5,879,828；6,136,412；5,879,827；6,238,534；和7,348,088，以及美国专利申请公布2011/0262828；2014/0246304；2015/0311536；和2017/0294669，以及pct公布wo2016/191057中。在一些实施方案中，设置在膜104或104b上的阳极105包含催化剂。催化剂可为或包含铱。铱可以以金属铱的形式和/或氧化铱的形式包含。催化剂可包括沉积到晶须涂布的基材上的ir(ir-nstf)。催化剂可负载在针状颗粒中的细长芯上，如本文别处进一步所描述。已发现此类催化剂在较小量催化剂的情况下提供增加的产氢速率。在一些实施方案中，催化剂的面积负载量为每平方米的阳极小于3、2.5、2、1.5、1.0、0.75、0.50、0.40、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10、或0.05克。面积负载量是沿着平行于阳极的主表面的平面所测量的每单位面积的催化剂重量。在一些实施方案中，电解槽被配置成以每克催化剂每小时至少0.2、0.45、0.75、1.12、1.49、1.87、2.24、3.73、或5.6千克氢气的速率产生氢气。在一些实施方案中，电解槽在至少5a/cm2的电流密度下运行，具有约0.25mg/cm2的阳极ir负载量，并且以至少约1.87kg/小时/m2的速率，和/或以至少约0.75kg/小时/克ir的速率产生氢气。相比之下，传统的电解槽可在1.5a/cm2的电流密度下运行，可具有3.0mg/cm2的阳极ir负载量，并且可以以0.56kg/小时/m2的速率，和/或以0.02kg/小时/克ir的速率产生氢气。在一些实施方案中，设置在膜104或104b上的阴极103包含催化剂，该催化剂可包括可呈金属铂形式和/或氧化铂形式的pt(例如，沉积到晶须涂布的基材上的pt(pt-nstf)，或设置于分散在离聚物中的针状颗粒上的pt，如以上对ir所述)。用于按需生成氢气的示例性氢燃料系统210示意性地示出于图2a中。储氢系统可被描述为当在系统的至少一种运行模式下对氢气发起请求(例如填充运载工具的油箱)时，在系统显著增加产氢速率时(在一些实施方案中从零增加)按需生成氢气。系统210包括电解槽200，其可对应于本文所述的被配置成生成氢气的任何电解槽；运载工具油箱加注系统214，该运载工具油箱加注系统(直接或间接地)连接到电解槽200，并且被配置成用由电解槽200生成的压缩氢气至少部分地填充运载工具215的油箱216；以及电连接到电解槽200的电能储存系统220。应当理解，运载工具加注系统可将运载工具的油箱填充至某个期望的水平(例如，至某个期望的压力)，该水平可为或者不可为油箱可容纳的最大量。运载工具215可为汽车，如图2a示意性地示出。在一些实施方案中，运载工具可例如为汽车、卡车、公共汽车、火车或飞机中的至少一种。系统210供应有外部电源连接218，该外部电源连接被配置成给电能储存系统220再充电。在一些实施方案中，外部电源连接218向电能储存系统220和电解槽200两者提供电力。就外部电源连接向电能储存系统提供电力的运行模式而言，来自外部电源连接218的电力的流向由来自外部电源连接218的实线上的箭头示意性地示出。如本文别处进一步所描述，在一些实施方案中，氢燃料系统210具有电能储存系统向外部电源连接218提供能量的运行模式；这由虚线218b上的箭头示意性地示出。在例示的实施方案中，运载工具油箱加注系统214通过压缩装置212间接地连接到电解槽200。在其他实施方案中，运载工具油箱加注系统214直接连接到电解槽200(例如，经由管道而没有居间压缩装置或储罐)，并且电解槽200被配置成生成足够的压力以将氢气直接供应给运载工具油箱加注系统214。在例示的实施方案中，压缩装置212连接到电解槽，并且被配置成压缩由电解槽生成的氢气211以形成压缩氢气213，并且将压缩氢气213提供给运载工具油箱加注系统214。压缩装置212可为任何合适的压缩装置，并且可包括如本领域的普通技术人员所熟悉的一个或多个泵。在一些实施方案中，由电解槽200生成的氢气211可处于小于100巴(例如约50巴)的压力下，并且压缩装置212可被配置成将氢气压缩至例如350巴或至700巴。在一些实施方案中，氢燃料系统包括一个或多个储罐。用于按需生成氢气的示例性氢燃料系统210b示意性地示出于图2b中。氢燃料系统210b类似于氢燃料系统210，但还包括连接到电解槽200和运载工具油箱加注系统214的任选的氢气储罐217。可以包括氢气储罐217，使得氢燃料系统210b可例如在氢燃料补给需求高峰时段将氢气同时提供给比其他实际情况数量更多的汽车。氢气储罐217也可用作氢燃料系统210b的总体能量管理的一部分(例如，氢气可由电解槽200产生，并且在电网的能源使用非高峰时间储存于储罐217中)，如本文别处进一步所描述。在例示的实施方案中，氢气储罐217通过压缩装置212间接地连接到电解槽200，并且氢气储罐217直接连接到运载工具加注系统214。在其他实施方案中，利用各种部件之间的不同连接。压缩氢气213a可从压缩装置212提供给氢气储罐217，并且压缩氢气213b可从氢气储罐217提供给运载工具加注系统214。氢气储罐217可小于常规氢燃料系统所用的储氢罐。例如，氢气储罐217可被配置成容纳小于2000kg、或小于1500kg、或小于1000kg、或小于500kg、或小于100kg的氢气。在一些实施方案中，氢气储罐217被配置成容纳至少10kg或至少50kg的氢气、或至少预定量的氢气、或预定量氢气的至少2倍、5倍、或10倍。在一些实施方案中，氢气储罐217被省略。在一些实施方案中，氢燃料系统210或210b被配置成储存例如小于100kg、或小于50kg、或小于10kg、或小于5kg的氢气。在一些实施方案中，包括氢气储罐，并且氢燃料系统具有主要从储罐向运载工具提供氢气的至少一种运行模式，以及主要从电解槽实时(即先前未储存)生成的氢气向运载工具提供氢气的至少一种运行模式。运载工具油箱加注系统214可为用于向运载工具的油箱提供氢气的任何合适的油箱加注系统。此类运载工具油箱加注系统在本领域中是已知的。图2a中示意性地示出的运载工具215可为乘用车，并且氢燃料系统210可被配置成向乘用车的消费者提供氢气。在其他实施方案中，氢燃料系统210或210b可适于填充例如在仓库环境中使用的运载工具(例如叉车)的油箱。在一些实施方案中，氢燃料系统210或210b可适于填充货运车辆诸如货运列车或半机动卡车，或公共交通工具诸如公共汽车或客运列车，或客机或货运飞机的油箱。例如，铁路运营商可使用氢燃料系统210或210b来向氢动力客运列车诸如阿尔斯通公司(alstom)的coradiailint提供氢气。又如，公共航空运输企业可使用氢燃料系统210或210b来向氢动力飞机(由氢气全动力操纵或部分动力操纵)提供氢气。在一些实施方案中，电解槽200连接到压缩装置212而几乎没有或基本上没有中间储存器(例如，管道可将电解槽200直接连接到压缩装置212而在其间没有储罐)。在一些实施方案中，压缩装置212连接到运载工具油箱加注系统214而几乎没有或基本上没有中间储存器(例如，管道可将压缩装置212连接到运载工具油箱加注系统214而在其间没有储罐，如图2a示意性地示出)。在一些实施方案中，电解槽200连接到运载工具油箱加注系统214而几乎没有或基本上没有中间储存器(例如，管道可将电解槽200直接连接到运载工具油箱加注系统214而在其间没有储罐)。在其他实施方案中，包括至少一个储罐，如图2b所示。在一些实施方案中(例如，在不存在中间储罐的实施方案中)，期望电解槽在期望的时间跨度内产生期望量的氢气，并且这可在一些情况下导致需要除了外部电源连接218之外的电能来源。电能储存系统220可用作该附加电能来源。在一些实施方案中，外部电源连接218由电网提供。在一些实施方案中，外部电源连接218由诸如太阳能电池或风力涡轮机的可再生能源替代或补充。在一些实施方案中，氢燃料系统可包括可再生能源作为总体系统的组成部分，并且可用发电机系统补充，该发电机系统也可被视为总体系统的组成部分。在此类实施方案中，外部电源连接可任选地省略。在一些实施方案中，可再生能源用于补充由外部电源连接提供的电力。电能储存系统220可为任何合适类型的电能储存系统。在一些实施方案中，电能储存系统220包括电池、液流电池、氧化还原液流电池、超级电容器、抽水水力系统、压缩气体系统、储热系统、飞轮、或非氢燃料电池中的至少一种。在一些实施方案中，这些装置中的一个或多个包括在电能储存系统220中。在例示的实施方案中，电能储存系统220任选地包括第一电能储存装置220a和第二电能储存装置220b。装置220a和220b可各自独立地为电池、液流电池、氧化还原液流电池、超级电容器、抽水水力系统、压缩气体系统、储热系统、飞轮、或非氢燃料电池中的一种或多种。合适的电池包括固态电池、液流电池、或其他电化学储能装置。合适的固态电池包括锂离子电池、镍镉电池和钠硫电池。作为液流电池和氧化还原液流电池，合适的电池为钒氧化还原液流电池，诸如购自华盛顿州马科尔蒂奥的unienergy科技有限公司(unienergytechnologies,llc(mukilteo,wa))的那些。其他合适的液流电池包括铁铬液流电池和锌溴液流电池。合适的抽水蓄能系统(或抽水蓄能水力发电系统)包括地下抽水蓄能水力发电系统、地表水库抽水蓄能水力发电系统、以及变速抽水蓄能水力发电系统。超级电容器(也可称为超电容器)在本领域中是已知的，并且包括静电双电层电容器、电化学赝电容器和以静电和电化学方式两者储存电荷的混合式电容器。用于储能的合适的飞轮包括具有复合转子的那些，该复合转子通过磁轴承悬挂并且在真空罩中以20,000rpm或更高的速度旋转。燃料电池通过燃料与氧气或另一种氧化剂的电化学反应将燃料(例如，氢气、甲烷、天然气、co、甲酸、氨、肼、硼氢化物、或醇诸如甲醇)的化学能转化为电能。因为氢燃料系统的目标是生成氢气，通常优选的是燃料电池使用除氢气之外的燃料(即，燃料电池为非氢燃料电池)。合适的非氢燃料电池可为直接或间接甲醇燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、固体酸燃料电池、生物燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池中的一种或多种。合适的压缩气体系统包括地下压缩空气或压缩二氧化碳系统。合适的热能储存系统包括将热能储存在例如熔融盐或砂、岩石、混凝土和/或鹅卵石的床中的那些。管理电能储存系统以及将电能储存系统与外部电源一起使用的方法在本领域中是已知的(参见例如美国专利申请2013/0154570(nomura)、2016/0357165(stiefenhofer)、2012/0091802(adelson等人)、以及2013/0035802(khaitan等人)、2016/0211678(tsurumaru等人)、2018/0183239(shibata等人)、以及美国专利6,441,581(king等人)和5,701,068(baer等人))。在一些实施方案中，氢燃料系统包括电力管理系统(例如，包括计算机、或中央处理单元、或合适的电路中的至少一种)，该电力管理系统适于确定电能储存系统供应了多少能量以及外部电源连接供应了多少能量。在一些实施方案中，电力管理系统将燃料系统置于一种运行模式，该运行模式取决于所需的能量、期望的时间、可从外部电源连接获得的能量或电力、可从电能储存系统获得的能量或电力、可再生能源的可用性、和/或外部电源连接的峰值载荷考虑。例如，如果外部电源连接不能在期望的时间内提供所需的能量，则电力管理系统可将燃料系统置于其中至少部分地从电能储存系统提供所需能量的模式。在一些实施方案中，氢燃料系统具有电解槽由电能储存系统和外部电源连接两者供电的运行模式。在一些实施方案中，氢燃料系统具有电解槽主要由电能储存系统供电(例如，在预定时间内预定电能的至少60％、或至少80％可由电能储存系统提供)的运行模式。在一些实施方案中，氢燃料系统具有电解槽主要由外部电源连接供电的运行模式。在一些实施方案中，氢燃料系统具有电解槽不工作并且通过外部电源连接对电能储存系统再充电的模式。在一些实施方案中，电能储存系统可储存显著超过(例如至少2倍、3倍、4倍、或5倍)预定的能量，使得电能储存系统可提供足够的能量，以在例如期望用氢气同时填充若干运载工具时向电解槽供电。在一些情况下，相比于预期在某些时间窗口内(例如，历史上对氢燃料补给的需求较低的时段，或当氢气在储罐217中可用时的时段)所需要的能量，电能储存系统可具有更多的储存能量。在一些情况下，该时间窗口与电网的能源使用高峰重叠。电能储存系统然后可适于向外部电源连接提供电力。在能源使用非高峰时段储存电能并且在使用高峰时段将其回售给电网被称为能量套利或电力套利。在一些实施方案中，氢燃料系统210、或电能储存系统220适于此类电力套利。在一些实施方案中，氢燃料系统210或210b具有第一运行模式和第二运行模式，其中在第一运行模式下外部电源连接218对电能储存系统再充电，并且在第二运行模式下电能储存系统220向外部电源连接提供电力。在一些实施方案中，氢燃料系统210还具有第三模式，其中电能储存系统220向电解槽200提供电力而不向外部电源连接提供电力。在一些实施方案中，氢燃料系统210b包括储罐217，并且系统210b被配置成在不与电网的能源使用高峰时间重叠的时段内产生氢气以储存在储罐中。这允许在电能相对廉价时填充或再填充储罐217。系统210或210b还可适于在此类能源非高峰时段对电能储存系统220再充电。在一些实施方案中，在能源使用高峰时段，电能储存系统220向外部电源连接提供电力，并且氢气从储罐217提供给运载工具油箱加注系统214。使用储罐217提供氢气减少了电解槽所需的电能，并允许更多的能量出售给电网用于能量套利。在一些实施方案中，电解槽200包括由含催化剂分散体组合物形成的至少一个电极，该含催化剂分散体组合物包含分散在离聚物粘结剂内的多个针状颗粒。已发现与传统的电解槽相比，此类电极(例如阳极)在较小量催化剂的情况下提供增加的产氢速率，并且允许利用较高的电流密度。针状颗粒通常在电极组合物中是不定向的。如本文所用，“不定向的”是指针状颗粒具有无规取向的长轴并且没有观察到图案。这些包含催化剂的分散体组合物可用于电解槽的阳极中。关于包含分散在离聚物粘结剂内的多个针状颗粒的含催化剂分散体组合物的更多细节可见于美国临时申请62/609401，其提交于2017年12月22日并且标题为“用于电解槽的分散的含催化剂的阳极组合物”(“dispersedcatalyst-containinganodecompositionsforelectrolyzers”)。本文所述的针状颗粒为离散细长颗粒。本说明书的针状颗粒包括细长芯，该细长芯具有位于细长芯的表面的至少一部分上的催化材料(例如铱)层。细长芯为包含有机化合物的细长颗粒，该细长颗粒充当设置于该细长芯上的催化材料的载体。虽然是细长的，但本说明书的芯的形状不一定是线性的，并且可以在结构的末端处弯折、卷曲或弯曲，或者结构本身可以沿其整个长度弯折、卷曲或弯曲。细长颗粒或细长芯具有显著大于(例如至少两倍)正交于长度的每个横向尺寸的长度(在颗粒或芯弯曲的情况下，沿着颗粒或芯的弧线)，并且通常具有至少2:1、3:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、或在这些长径比中任两者之间的范围内的长径比。在一些实施方案中，细长芯为微结构化或纳米结构化芯。术语“离散的”是指具有独立本体的分立元件，但并不排除元件之间彼此接触。图3是针状颗粒330的示意图，该针状颗粒包括细长芯332(其在例示的实施方案中为大致杆形)，并且在细长芯332的表面333的至少一部分上包括催化剂或催化材料层334。在一些实施方案中，催化剂或催化材料层334的外表面337是纳米结构化的。在一些实施方案中，细长芯由有机化合物制成。可用的有机化合物包括具有链或环的平面分子，π电子密度在平面分子上广泛非定域化。适用于细长芯的有机化合物通常以人字形构型结晶。优选的化合物包括可以广义地归类为多核芳香烃和杂环化合物的那些。多核芳族化合物描述在morrison和boyd的“organicchemistry(有机化学)”(第三版，allynandbaconinc.，boston，1974，第30章)中，并且杂环芳族化合物描述在morrison和boyd的第31章中，出处同上。优选的多核芳香烃类别中有萘、菲、二萘嵌苯、蒽、晕苯、芘和前述类别中的化合物的衍生物。优选的有机化合物为可商购获得的苝红颜料，n,n'-二(3,5-二甲苯基)二萘嵌苯-3,4:9,10双(二酰亚胺)，在下文中称为苝红。优选的杂环芳族化合物的类别中有酞菁、卟啉、咔唑、嘌呤、蝶呤和前述类别中的化合物的衍生物。尤其可用的酞菁的代表性示例为酞菁及其金属络合物，例如铜酞菁。可用的卟啉的代表性示例为卟啉。用于制造针状元件的方法是本领域已知的。例如，用于制造有机微结构化元件的方法公开于“materialsscienceandengineering(材料科学和工程化)”,a158(1992)，第1-6页中；j.vac.sci.technol.a,5,(4)，1987年，七月/八月，第1914-16页；j.vac.sci.technol.a,6,(3),1988年，五月/八月，第1907-11页；“thinsolidfilms(固态薄膜)”，第186卷，1990年，第327-47页；j.mat.科学杂志，25，1990，第5257-68页；“rapidlyquenchedmetals(快速淬火金属)”，proc.ofthefifthint.conf.onrapidlyquenchedmetals,wurzburg,germany(德国乌兹堡第五届快速淬火金属国际会议记录)(1984年9月3日-7日)，s.steeb等人编辑，elseviersciencepublishersb.v.,newyork(纽约的爱尔泽科学出版社公司)，(1985年)，第1117-24页；photo.sci.andeng.,24,(4)，七月/八月，1980年，第211-16页；以及美国专利4,568,598(bilkadi等人)和4,340,276(maffitt等人)。k.robbie等人，“fabricationofthinfilmswithhighlyporousmicrostructures(具有高度多孔微结构的薄膜的制造)”，j.vac.sci.tech.a，第13卷，第3期，1995年，五月/六月，第1032-35页以及k.robbie等人，“firstthinfilmrealizationofbianisotropicmedium(双各向异性介质的第一薄膜的实现)”，j.vac.sci.tech.a，第13卷，第6期，1995年，十一月/十二月，第2991-93页。例如，可使用本领域已知的技术将有机化合物涂布到基材上，这些技术包括例如真空气相沉积(例如，真空蒸发、升华以及化学气相沉积)和溶液涂布或分散体涂布(例如，浸涂、喷涂、旋涂、刮涂或刀涂、棒涂、辊涂和浇涂(将液体倾注到表面上并让液体在该表面上流动))。然后处理有机化合物层(例如，退火、等离子蚀刻)，使得该层发生物理变化，其中有机化合物层生长以形成微结构化层，该微结构化层包含离散的定向单晶或多晶细长芯的致密阵列。遵循该方法，细长芯长轴的取向通常垂直于基材表面。在一些实施方案中，将有机化合物气相涂布到基材上。基材可以变化，并且被选择为与加热过程相容。示例性基材包括聚酰亚胺和金属箔。基材在气相沉积期间的温度可以根据所选择的有机化合物而变化。针对苝红，接近室温(25℃)的基材温度是令人满意的。可以改变真空气相沉积的速率。沉积的有机化合物层的厚度可以变化，并且所选择的厚度将决定在进行退火步骤之后所得微结构的主要尺寸。层的厚度通常在约1nm至约1μm的范围内，并且优选地在约0.03μm至约0.5μm的范围内。然后任选在减压条件下将有机化合物层加热足够的温度和时间，使得沉积的有机化合物发生物理变化，从而产生包含纯的单晶或多晶的细长芯的微层。这些单晶或多晶结构用于支撑催化材料层，从而形成本说明书的针状颗粒。在一些实施方案中，针状颗粒的催化材料包含铱。铱可为铱金属、氧化铱和/或含铱化合物诸如irox的形式，其中x可在0-2的范围内。在一些实施方案中，催化材料还包含钌，其可为钌金属、氧化钌的形式，和/或可为含钌化合物，诸如氧化铱、ruox，其中x可在0-2的范围内。铱和/或钌包括它们的合金，以及它们的紧密混合物。在水基电解槽应用中，铂基阳极在析氧方面的效率往往低于其铱对应物。因此，当针状颗粒用于阳极时，针状颗粒优选地基本上不含铂(意味着组合物在催化材料中包含小于1原子％、0.5原子％或甚至0.1原子％的铂)。在一些实施方案中，阴极包括其上具有包含铂的催化材料的针状颗粒。铱和钌可以设置在相同的细长芯上或者可以设置在单独的细长芯上。催化材料设置在多个细长芯的至少一个表面(更优选地至少两个或甚至三个表面)上。催化材料以连续层的形式设置在整个表面上，使得电子可以连续地从针状颗粒的一部分移动到针状颗粒的另一部分。有机化合物表面上的催化材料层产生大量反应位点以用于在阳极处进行析氧。在一些实施方案中，将催化材料沉积到有机化合物的表面上，初始形成纳米结构化催化剂层，其中该层包含纳米级催化剂颗粒或催化剂薄膜。在一些实施方案中，纳米级催化剂颗粒是具有至少一个等于或小于约10nm的维度、或具有约10nm或更小的微晶尺寸的颗粒，该尺寸由标准2-θx射线衍射扫描的衍射峰半宽度来测量。催化材料可以进一步沉积到有机化合物的表面上以形成包含纳米级催化剂颗粒的薄膜，这些纳米级催化剂颗粒可以彼此接触或可以不接触。纳米级催化剂颗粒为催化剂材料的颗粒，该颗粒具有至少一个约10nm或更小的维度，或者具有约10nm或更小的微晶尺寸，该尺寸被测量为标准2-θx射线衍射扫描中的衍射峰半宽度。在一些实施方案中，有机化合物表面上的催化材料层的厚度可以变化，但通常在至少0.3nm、0.5nm、1nm或甚至2nm的范围内；并且在细长芯的侧面上不大于5nm、10nm、20nm、40nm、60nm或甚至100nm。在一些实施方案中，通过真空沉积、溅射、物理气相沉积或化学气相沉积将催化材料施加到细长芯。在一些实施方案中，通过如下方式形成本公开的针状颗粒：首先使细长芯在如上所述的基材上生长，将催化材料层施加到细长芯上，然后从基材移除催化涂布的细长芯以形成疏松的针状颗粒。制造细长芯和/或用催化材料对它们进行涂布的此类方法公开于例如美国专利5,338,430(parsonage等人)；5,879,827(debe等人)；5,879,828(debe等人)；6,040,077(debe等人)；和6,319,293(debe等人)；6,136,412(spiewak等人)；以及6,482,763(haugen等人)中。此类从基材移除催化剂涂布的细长芯的方法公开于例如美国专利申请公布2011/0262828(noda等人)中。虽然这些多个针状颗粒可以具有多种形状，但是单个针状颗粒的形状优选地是一致的。形状包括棒、锥体、圆柱体和板条。在一些实施方案中，针状颗粒具有大长径比，长径比被定义为长度(主维度)与直径或宽度(次维度)的比率。在一些实施方案中，针状颗粒具有至少2、3、5、7、10、15、20或甚至25的平均长径比。在一些实施方案中，平均长径比不超过100、80、70、或60。在一些实施方案中，针状颗粒具有大于250nm、300nm、400nm、或甚至500nm(纳米)；且小于750nm、1μm、1.5μm、2μm或5μm的平均长度。在一些实施方案中，针状颗粒具有大于15nm、20nm或甚至30nm；且小于100nm、500nm、750nm、1μm、1.5μm、或2μm的平均直径(或宽度)。此类长度和直径(或宽度)测量可以通过透射电子显微镜(tem)获得。在一些实施方案中，针状颗粒的尺寸，即长度和横截面积，在各个颗粒之间通常是一致的。如本文所用，相对于尺寸而言，术语“一致的”意指单个针状颗粒的横截面的主维度与主维度的平均值变化不大于约23％，并且单个针状颗粒的横截面的次维度与次维度的平均值变化不大于约28％。针状颗粒的一致性提供了含有针状颗粒的制品的特性和性能的一致性。此类特性包括光学特性、电特性和磁特性。例如，电磁波吸收、散射和捕获高度依赖于微层的一致性。离聚物粘结剂为聚合物电解质材料，其可以是或可以不是电化学电池膜的相同聚合物电解质材料。离聚物粘结剂用于帮助离子传输通过电极。离聚物粘结剂为固体聚合物，因此其在电极中的存在可抑制反应物向电催化剂的传输。在水电解槽中，反应物流体为液态水，而不是气体。认为通过pem电解槽电极的反应物水传送比使用气体反应物时快得多。因此，因为本公开涉及电解槽，所以认为更多的离聚物可用于本文所公开的电极组合物中而不减少高电流运行。从成本的角度来看，在电极中具有较高百分比的离聚物可能是有利的，和/或能够获得最佳性能。在一些实施方案中，电极组合物包含相对于电极组合物(即，包含针状颗粒和离聚物粘结剂)的总固体体积，小于54、52、50、或甚至48固体体积％的针状颗粒，和/或另选地，包含相对于电极组合物的总固体体积，大于46、48、50、或甚至52固体体积％的离聚物。可用的聚合物电解质材料可以包含阴离子官能团，诸如磺酸根基团、碳酸根基团或键合至聚合物主链的膦酸根基团以及它们的组合物和混合物。在一些实施方案中，阴离子官能团优选为磺酸根基团。聚合物电解质材料可以包含酰亚胺基团、酰胺基团或另一种酸性官能团，以及它们的组合物和混合物。可用的聚合物电解质材料的示例为高度氟化的、通常全氟化的氟碳化合物材料。此类氟碳化合物材料可为四氟乙烯与一种或多种类型的氟化酸性官能共聚单体的共聚物。氟碳树脂相对于卤素、强酸和碱具有高化学稳定性，因此其可有利地使用。例如，当需要高耐氧化性或耐酸性时，可以有利地使用具有磺酸根基团、碳酸根基团或膦酸根基团的氟碳树脂，并且特别是具有磺酸根基团的氟碳树脂。术语“高度氟化的”是指一种化合物，其中至少75％、80％、85％、90％、95％或甚至99％的c-h键被c-f键取代，并且其余的c-h键选自c-h键、c-cl键、c-br键以及它们的组合物。术语“全氟化的”是指衍生自烃的基团或化合物，其中所有氢原子已被氟原子取代。然而，全氟化化合物还可以包含除氟原子和碳原子之外的其它原子，如氧原子、氯原子、溴原子和碘原子；包含磺酸根基团的示例性氟碳树脂包含全氟磺酸(例如，nafion)、全氟磺酰亚胺酸(pfia)、磺化聚酰亚胺、磺化聚三氟苯乙烯、磺化烃聚合物、聚砜和聚醚砜。其它氟碳树脂包括全氟酰亚胺，诸如全氟甲基酰亚胺(pfmi)和全氟丁基酰亚胺(pfbi)。在一些实施方案中，氟碳树脂是每个侧链包含多个原生基团的聚合物。可商购获得的聚合物电解质材料包括例如以商品名“dyneon”购自明尼苏达州圣保罗的3m公司(3mcompany,st.paul,mn)的那些；以商品名“naifon”购自特拉华州威灵顿的杜邦化学公司(dupontchemicals,wilmington,de)；以商品名“flemion”购自日本东京的旭硝子玻璃有限公司(asahiglassco.,ltd.,tokyo,japan)；以商品名“aciplex”购自日本东京的旭化成化学公司(asahikaseichemicals,tokyo,japan)；以及可购自马萨诸塞州沃本的电化学有限公司(electrochem,inc.,woburn,ma)和威斯康星州密尔沃基的奥德里奇化学有限公司(aldrichchemicalco.,inc.,milwaukee,wi)的那些。在一些实施方案中，聚合物电解质材料选自全氟x酰亚胺，其中x可为但不限于甲基、丁基、丙基、苯基等。通常，离子传导性聚合物的当量重量为至少约400、500、600或甚至700；并且不大于约825、900、1000、1100、1200或甚至1500。聚合物的当量(ew)是会中和一当量碱的聚合物重量。在一些实施方案中，离聚物粘结剂与针状颗粒的比率为按重量计1:100至1:1，更优选地为按重量计1:20至1:2。在一些实施方案中，离聚物粘结剂与针状颗粒的比率为按体积计1:10至1:10，更优选地为按体积计1:3至3:1。通常，多个针状颗粒连同离聚物粘结剂、以及各种分散体形式的溶剂例如油墨或糊剂一起施加。在一些实施方案中，多个针状颗粒和离聚物粘结剂分散在溶剂中。示例性溶剂包括水、酮(诸如丙酮、四氢呋喃、甲基乙基酮和环己酮)、醇(诸如甲醇、异丙醇、丙醇、乙醇和丙二醇丁基醚)、多元醇(诸如甘油和乙二醇)；烃(诸如环己烷、庚烷和辛烷)、二甲基亚砜和氟化溶剂(诸如十七氟辛烷磺酸)和部分氟化或全氟化烷烃或叔胺(诸如以商品名“3mnovecenginneredfluid”或“3mfluoroinertelectronicliquid”液体购自明尼苏达州圣保罗的3m公司(3mco.,st.paul,mn)的那些)。在一些实施方案中，催化剂油墨组合物为任选地包含水和一种或多种溶剂以及任选地表面活性剂的含水分散体。在一些实施方案中，催化剂油墨组合物包含0.1-50重量％、5-40重量％、10-25重量％、并且更优选地1-10重量％的溶剂/固体重量(即，多个针状颗粒和离聚物粘结剂)。在一些实施方案中，将催化剂组合物施加到诸如聚合物电解质膜(pem)或气体扩散层(gdl)的基材上；或转移基材上，并且随后转移到pem或gdl上。pem是本领域已知的。pem可以包含任何合适的聚合物电解质。聚合物电解质通常承载键合到共同主链的阴离子官能团，阴离子官能团通常为硫酸基团，但也可以包括羧酸基团、酰亚胺基团、酰胺基团或其它酸性官能团。聚合物电解质通常是高度氟化的，并且最典型为全氟化的。示例性聚合物电解质包括上文针对离聚物粘结剂所提及的那些。聚合物电解质通常浇铸成具有小于250μm、更通常小于175μm、更通常小于125μm，在一些实施方案中小于100μm，并且在一些实施方案中约50μm的厚度的膜(film)(膜(membrane))。pem可以由聚合物电解质组成，或者聚合物电解质可以被吸收到多孔载体(诸如ptfe)中。已知的pem的示例包括以商品名“nafionpfsamembranes”购自特拉华州威灵顿的杜邦化学公司(e.i.dupontdenemoursandco.,wilmington,de)的那些；以商品名“goreselectmembrane”购自特拉华州纽瓦克的戈尔公司(w.l.gore&associates,inc.,newark,de)；和以商品名“aciplex”购自日本东京的旭化成化学公司(asahikaseichemicals,tokyo,japan)；和购自明尼苏达州圣保罗的3m公司(3mco.,st.paul,mn)的3m膜。gdl也是本领域已知的。在一些实施方案中，阳极gdl为烧结的金属纤维非织造物或毡，诸如cn203574057(meekers等人)和wo2016/075005(vanhaver等人)中所公开的那些，其涂布有或浸渍有包括钛、铂、金、铱或它们的组合物中的至少一种的金属。所用的gdl也可为涂覆有铂、金或其组合的粉末烧结ti作为阳极或阴极气体扩散层。在一些实施方案中，使用疏水性碳纸或碳布作为阴极气体扩散层。转移基材是临时载体，其不旨在用于电极的最终用途，而是在制造或储存期间用于支撑和/或保护电极。在使用之前将转移基材从电极制品移除。转移基材包括通常涂布有剥离涂层的背衬。电极设置在剥离涂层上，这允许容易且干净地将电极从转移基材移除。此类转移基材是本领域已知的。背衬通常由ptfe、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚酯、或具有或不具有剥离剂涂层的类似材料构成。剥离剂的示例包括氨基甲酸酯(carbamate或urethane)、有机硅、氟碳化合物、氟有机硅以及它们的组合物。氨基甲酸酯剥离剂通常具有长侧链和相对高的软化点。示例性氨基甲酸酯剥离剂是聚乙烯十八烷基氨基甲酸酯，可以商品名“escoatp20”购自密歇根州阿德里安的安德森发展公司(andersondevelopmentco.(adrian,mich.))，以及以各种等级的ra-95h、ra-95hs、ra-155和ra-585s购自佐治亚州诺克罗斯的美泽公司(mayzoinc.(norcross,ga))。表面施加(例如局部施加)的剥离剂的示例性示例包括：聚乙烯基氨基甲酸酯，诸如美国专利2,532,011(dahlquist等人)中所公开的；反应性有机硅；氟化物聚合物；环氧有机硅，诸如美国专利4,313,988(bany等人)和4,482,687(kessel等人)中所公开的；聚有机硅氧烷-聚脲嵌段共聚物，诸如美国专利5,512,650(leir等人)等中公开的。有机硅剥离剂通常包括有机聚硅氧烷聚合物，该有机聚硅氧烷聚合物包含至少两个可交联的反应性基团，例如两个烯键式不饱和有机基团。在一些实施方案中，有机硅聚合物包含两个末端可交联基团，例如两个末端烯键式不饱和基团。在一些实施方案中，有机硅聚合物包含侧基官能团，例如侧基烯键式不饱和有机基团。在一些实施方案中，有机硅聚合物具有不大于20,000克/当量，例如不大于15,000克/当量，或甚至不大于10,000克/当量的乙烯基当量重量。在一些实施方案中，有机硅聚合物具有至少250克/当量，例如至少500克/当量，或甚至至少1000克/当量的乙烯基当量重量。在一些实施方案中，有机硅聚合物具有500克/当量至5000克/当量，例如750克/当量至4000克/当量，或甚至1000克/当量至3000克/当量的乙烯基当量重量。可商购获得的有机硅聚合物包括以商品名“dms-v”购自盖尔斯公司(gelestinc.)的那些，例如dms-v05、dms-v21、dms-v22、dms-v25、dms-v31和dms-v33。其他可商购获得的包含平均至少两个烯键式不饱和有机基团的有机硅聚合物包括“syl-off2-7170”和“syl-off7850”(购自道康宁公司(dowcorningcorporation))、“vms-t11”和“sit7900”(购自盖尔斯公司(gelestinc.))、“silmervin70”、“silmervin100”和“silmervin200”(购自斯泰公司(siltechcorporation))和2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷(购自奥德里奇公司(aldrich))。剥离剂还可包括氟有机硅聚合物。可商购获得的烯键式不饱和氟有机硅聚合物可以syl-off系列商品名，包括例如“syl-offfops-7785”和“syl-offfops-7786”购自密歇根州米德兰的道康宁公司(dowcorningcorp.(midland,mi))。其它烯键式不饱和氟有机硅聚合物可从纽约奥尔巴尼的通用电气公司(generalelectricco.(albany,ny))和德国的威凯化学品公司(wackerchemie(germany))商购获得。另外可用的烯键式不饱和氟有机硅聚合物在美国专利5,082,706(tangney)的第5列，第67行至第7列，第27行被描述为组分(e)。当与合适的交联剂混合时，氟有机硅聚合物在形成剥离涂层组合物中特别有用。一种可用的交联剂可以商品名“syl-offq2-7560”购自道康宁公司(dowcorningcorp.)。在美国专利5,082,706(tangney)和5,578,381(hamada等人)中公开了其它可用的交联剂。电极组合物可以最初在油墨、糊剂或分散体中混合在一起。因此，随后可以将一个或多个层中的电极组合物施加到pem、gdl或转移制品上，其中每个层具有相同的组成或有些层具有不同的组成。本领域已知的涂布技术可以用于将电极组合物涂布到基材上。示例性涂布方法包括刀涂、棒涂、凹版涂布、喷涂等。涂布后，通常将经涂布的基材干燥以至少部分地从电极组合物中去除溶剂，从而在基材上留下电极层。在一些实施方案中，相对于组合物(即，包含针状颗粒和离聚物粘结剂)的总固体体积，组合物包含小于54、52、50、或甚至48固体体积％的针状颗粒。如果所得电极中不存在足够的针状颗粒，则将存在不足的导电性并且可降低性能。因此，在一些实施方案中，相对于待进行的组合物的总固体体积，组合物包含至少1、5、10、20、或甚至25固体体积％的针状颗粒。如果将涂层施加至转移基材，则通常将电极转移至pem的表面。在一些实施方案中，用热和压力将涂布的转移基材压在pem上，之后移除并丢弃涂布的转移基材，留下粘结到pem表面上的电极。在一些实施方案中，将涂层引入到电解槽中，诸如图1a或1b中所示的水电解槽。在一些实施方案中，阳极由干燥电极组合物形成。在一些实施方案中，阳极包含小于54体积％、52体积％、50体积％、或48体积％的针状颗粒。在一些实施方案中，阳极包含至少1体积％、5体积％、10体积％、20体积％、或25体积％的针状颗粒。除了包括阴极气体扩散层、阴极、质子交换膜、阳极和阳极气体扩散层的膜电极组件之外，电解槽还可包括与阴极气体扩散层接触的阴极垫圈。膜电极组件通常安装在一组流场板之间，这使得反应物水能够分布到阳极电极，能够从阳极去除产物氧并从阴极去除产物氢，并且能够向电极施加电压和电流。流场板通常为包括流动通道的无孔板，对反应物和产物具有低渗透性，并且是导电的。可以重复流场和mea组件，从而得到通常串联电连接的重复单元的叠堆。电池组件也可包括一组集电器和压缩硬件。在输入水的情况下，电解槽的运行产生氢气和氧气，并且消耗水和电能。需要在电池两端施加1.23v或更高的电压以在标准条件下由水电化学产生氢气和氧气。随着电池电压增加至1.23v及以上，阳极和阴极之间开始出现电流。电子电流与水消耗速率以及氢气和氧气的产生成比例。本说明书的电解槽可具有与本文所述的膜电极组件一致的任何合适的运行电流密度，例如，在80℃下在0.001a/cm2至20a/cm2、0.5a/cm2至15a/cm2、1a/cm2至10a/cm2、2a/cm2至5a/cm2范围内，或更小、等于或大于0.001a/cm2、0.01a/cm2、0.1a/cm2、0.5a/cm2、1a/cm2、2a/cm2、3a/cm2、4a/cm2、5a/cm2、6a/cm2、7a/cm2、8a/cm2、9a/cm2、10a/cm2、11a/cm2、12a/cm2、13a/cm2、14a/cm2、15a/cm2、16a/cm2、17a/cm2、18a/cm2、19a/cm2、或20a/cm2或更大范围内的运行电流密度。通常，优选的是氢燃料系统中使用的电解槽的运行电流密度为至少5a/cm2，并且/或者至少与本文别处描述的预定电流密度一样高。一般来讲，所测量的电流密度是阳极电极的绝对催化活性的近似比例量度。在低电极过电势下，电流密度和催化活性之间的关系尤其真实。在所有其它组分和运行条件固定的情况下，在给定电池电压下较高的电流密度指示较高的绝对催化剂活性。一般认为，由于增加每单位平面面积的活性催化位点的数目，预计增加每单位平面面积的催化剂表面积将成比例地增加绝对催化剂活性。用于增加每单位电极平面面积的催化剂表面积的方法包括(1)增加电极的催化剂(例如ir)含量(例如，每单位电极平面面积较高的ir面积负载量)以及(2)增加每单位催化剂含量的催化剂(例如ir)表面积(例如，较高的比表面积，每克ir的ir电化学表面的m2)。不受理论的约束，预期比表面积(m2/g)将随着晶须上的ir金属薄膜厚度的减小而增加，这是由于ir金属的分数增加在薄膜表面处而不是在膜的本体内。基于pr149晶须几何形状，当pr149晶须载体上的ir薄膜厚度减小到低于约10nm时，预计将发生显著更大的绝对增量面积增益。传统上，预期晶须载体上的最小实际催化剂涂层厚度可存在限制，在低于该厚度时催化剂可基本上失活。用于电解槽的阳极电极的运行需要电极内的电子传导，以实现电化学析氧反应。在包含催化剂涂布的针状颗粒和离聚物并且不包含任何其他电子导体的电极中，据信电极内的电子传导仅发生在金属催化剂内。随着厚度的减小，催化剂薄膜可能不是热力学稳定的，而是可以采用彼此不接触的单个晶粒的形式。如果催化剂为彼此不接触的单个晶粒的形式，则一部分催化剂材料由于缺乏电子传导而将不是电化学活性的，并且性能将丧失。在本说明书中，出乎意料地发现，在电解槽阳极中使用分散的针状颗粒导致特定电压下的电流密度随着细长芯上催化材料厚度的减小而单调增加。这使得能够使用较少的催化材料。在各种实施方案中，本说明书提供了使用电解槽的方法。该方法可以为使用本文所述的电解槽的任何实施方案的任何合适的方法。例如，该方法可包括在阳极和阴极上施加电势。在一些实施方案中，阳极可用于诸如水电解中的析氧反应。在一些实施方案中，在使用酸性膜电极组件的水电解中，可向阳极提供水(例如，任何合适的水，诸如去离子水)，并且可在阳极侧生成氧气，并且在阴极侧生成氢气。在一些实施方案中，在使用碱性膜电极组件的水电解中，可向阴极侧提供水，并且可在阳极侧生成氧气，并且在阴极侧生成氢气。在一些实施方案中，水具有约1mω·cm或更高的电阻率。在一些实施方案中，水具有约18mω·cm的电阻率。本申请涉及于2018年9月28日提交的美国临时申请62/738100，其全文据此以引用方式并入本文。以下为本说明书的示例性实施方案的列表。第一实施方案为一种用于按需生成氢气的氢燃料系统，所述氢燃料系统包括：电解槽，所述电解槽被配置成当在不小于预定电流密度下运行时在预定时间内生成至少预定量的氢气并且在所述预定时间内提供至少预定的电能，所述预定量的氢气为至少1kg的氢气，所述预定时间为不超过30分钟，所述预定电流密度为至少5a/cm2；运载工具油箱加注系统，所述运载工具油箱加注系统连接到所述电解槽并且被配置成用由所述电解槽生成的氢气至少部分地填充运载工具的油箱；和电能储存系统，所述电能储存系统电连接到所述电解槽并且能够在所述预定时间内供应所述预定电能的至少20％。第二实施方案为根据第一实施方案所述的氢燃料系统，所述氢燃料系统供应有外部电源连接，所述外部电源连接被配置成给所述电能储存系统再充电。第三实施方案为根据第二实施方案所述的氢燃料系统，所述氢燃料系统具有这样的运行模式，其中所述电解槽由所述电能储存系统和所述外部电源连接两者供电。第四实施方案为根据第二实施方案或第三实施方案所述的氢燃料系统，所述氢燃料系统具有这样的运行模式，其中所述电解槽主要由所述电能储存系统供电。第五实施方案为根据第二实施方案至第三实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述外部电源连接不能在所述预定时间内提供所述预定电能。第六实施方案为根据第一实施方案至第五实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中在所述预定时间内向所述电解槽供应至少预定功率密度，所述预定功率密度为至少10w/cm2。第七实施方案为根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述预定电能为至少35kwh。第八实施方案为根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述电解槽包括膜，所述膜具有设置在所述膜上的阳极，所述阳极包含催化剂，所述催化剂包含铱，所述催化剂的面积负载量为每平方米的所述阳极小于3克。第九实施方案为根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述电解槽包括膜，所述膜具有设置在所述膜上的阳极，所述阳极包含催化剂，所述催化剂包含铱，并且所述电解槽被配置成以每克催化剂每小时至少0.2千克氢气的速率产生氢气。第十实施方案为根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述电解槽包括：质子交换膜，所述质子交换膜具有相对的第一主表面和第二主表面；阴极，所述阴极位于所述质子交换膜的所述第一主表面上；和阳极，所述阳极位于所述质子交换膜的所述第二主表面上，其中所述阳极包含(a)离聚物粘结剂；以及(b)分散在整个所述离聚物粘结剂中的多个针状颗粒，所述针状颗粒包括细长芯，所述细长芯具有位于所述细长芯的表面的至少一部分上的催化材料层，所述催化材料包含铱。第十一实施方案为根据第一实施方案至第十实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述电能储存系统能够在所述预定时间内供应所述预定电能的至少2倍。第十二实施方案为一种用于按需生成氢气的氢燃料系统，所述氢燃料系统包括：电解槽，所述电解槽被配置成生成氢气，所述电解槽包括：质子交换膜，所述质子交换膜具有相对的第一主表面和第二主表面；阴极，所述阴极位于所述质子交换膜的所述第一主表面上；和阳极，所述阳极位于所述质子交换膜的所述第二主表面上；和运载工具油箱加注系统，所述运载工具油箱加注系统连接到所述电解槽并且被配置成用由所述电解槽生成的氢气至少部分地填充运载工具的油箱，其中所述阳极包含(a)离聚物粘结剂；以及(b)分散在整个所述离聚物粘结剂中的多个针状颗粒，所述针状颗粒包括细长芯，所述细长芯具有位于所述细长芯的表面的至少一部分上的催化材料层，所述催化材料包含铱，所述细长芯包含多核芳香烃、杂环化合物或它们的组合中的至少一种。第十三实施方案为根据第十二实施方案所述的氢燃料系统，其中所述针状颗粒基本上不含铂。第十四实施方案为根据第十二实施方案或第十三实施方案所述的氢燃料系统，其中所述质子交换膜包含金属pt或pt氧化物中的至少一种。第十五实施方案为根据第十二实施方案至第十四实施方案中任一项所述的氢燃料系统，其中所述阳极包含小于54体积％的所述针状颗粒。在一些实施方案中，第十二实施方案的特征还在于根据第一实施方案至第十一实施方案中的任一项。在一些实施方案中，第十三实施方案至第十五实施方案中任一项的特征还在于根据第一实施方案至第十一实施方案中的任一项。实施例除非另外指明，否则在实施例和说明书的其余部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计，并且实施例中使用的所有试剂均得自或购自普通化学品供应商，诸如例如密苏里州圣路易斯西格玛奥德里奇公司(sigma-aldrichcompany,saintlouis,missouri)，或者可以通过常规方法合成。用于制备实施例的材料包括下表1中的那些。表1电极的制备制备支撑的微结构化晶须的幅材通过对苝红颜料(pr149)层进行热退火、然后将苝红颜料层升华真空涂布到标称厚度为220nm的微结构催化剂转移聚合物基材(mcts)上来制备纳米结构化晶须，如在美国专利4,812,352(debe)中详细描述的。mcts的卷材幅材(在聚酰亚胺膜(“kapton”)上制造)用作pr149沉积于其上的基材，如美国专利6,136,412(spiewak等人)中详细描述。mcts基材表面具有峰高约3μm、间隔6μm的v型特征部。然后将标称100nm厚度的cr层溅射沉积到mcts表面上，利用直流磁控平面溅射靶和典型ar背景压力以及本领域技术人员已知的靶功率，该靶功率足够在预期幅材速度下在mcts单次通过时沉积cr。然后在包含苝红颜料(pr149)的升华源之上持续cr涂布的mcts幅材。将苝红颜料(pr149)加热至接近500℃的受控温度以便生成足够的蒸汽压力通量，以在该幅材单次通过时将0.022mg/cm2、或大约220nm厚的苝红颜料(pr149)层沉积在升华源上。升华的质量或厚度沉积速率能够通过本领域技术人员已知的任何合适的方式测量，包括对膜厚度敏感的光学方法，或对质量敏感的石英晶体振荡器装置。之后通过热退火将苝红颜料(pr149)涂层转换为晶须态，如在美国专利5,039,561(debe)中详细描述的，通过将苝红颜料(pr149)涂布的幅材穿过真空，真空的温度分布足以在预期幅材速度下将刚沉积的苝红颜料(pr149)层转换为取向结晶晶须层，使得由扫描电子显微镜法(sem)图像确定晶须层具有约68个晶须每平方μm的平均晶须面数密度，其中平均长度为0.6μm。在支撑的微结构化晶须上制备催化剂涂布的纳米结构化薄膜通过使用与美国专利5,338,430(parsonage等人)的图4a中所述的真空溅射沉积系统类似的真空溅射沉积系统从上方将催化剂溅射涂布到支撑的微结构化晶须的幅材上来制备催化剂涂布的纳米结构化薄膜(nstf)，但该真空溅射沉积系统配备有额外的能力以允许在卷状基材幅材上涂布。通过在大约5毫托压力下使用超高纯度ar作为溅射气体溅射沉积涂层。通过将成部分的卷状基材暴露于通电的5英寸×15英寸(13cm×38cm)平面溅射靶，将催化剂层沉积到支撑纳米结构化晶须的幅材上，从而导致催化剂沉积到整个卷状基材的表面上。控制磁控溅射靶沉积速率和幅材速度以在基材上提供所需的催化剂面积负载量。直流磁控溅射靶沉积速率和幅材速度由本领域技术人员已知的标准方法测量。将基材反复暴露于通电溅射靶，从而导致催化剂额外沉积到基材上，直到获得所需的面积负载量。阴极制备对于阴极制备，溅射靶为纯的5英寸×15英寸(13cm×38cm)平面pt溅射靶(可购自新泽西州克利夫顿的materion公司(materion,clifton,nj))，从而导致pt沉积到负载的纳米结构化晶须的幅材上以形成pt-nstf，其具有负载在“pr149”晶须上的0.25mg/cm2的铂纳米结构化薄膜催化剂。制备样品a-c对于制备样品a-c，溅射靶为5英寸×15英寸(13cm×38cm)平面ir溅射靶(可购自新泽西州克利夫顿的材料公司(materion,clifton,nj))，从而导致ir沉积到支撑的纳米结构化晶须的幅材上。表2汇总了制备样品a-c的特性。例如，对于制备样品a，基材上的ir面积负载量为0.75mg/cm2并且基材上的pr149面积负载量为0.022mg/cm2，得到97.2wt(重量)％ir的针状催化剂颗粒。基于ir金属的密度22.56g/cm3，0.75mg/cm2的平面等效厚度计算为332nm。将制备样品a沉积到上述mcts上的pr149晶须载体上，估计其具有大约10cm2的表面积/cm2的平面面积，即，约10的粗糙度系数。在粗糙度系数为10的基材上的332nm平面等效涂层将在pr149晶须载体上具有大约33.2nm的厚度，即，平面等效厚度的1/10。催化剂涂布膜ccma的ir涂层的物理厚度可通过透射电子显微镜法(tem)直接评估。不受理论的约束，涂布pr149载体的33.2nmir的形态预期为ir金属薄膜的形式，其由熔融ir金属晶粒组成。制备样品d-f对于制备样品d-f，溅射靶为5英寸×15英寸(13cm×38cm)平面ir溅射靶(可购自新泽西州克利夫顿的材料公司(materion,clifton,nj))，从而导致ir沉积到支撑的纳米结构化晶须的幅材上。表2中示出了生长基材上的ir面积负载量和生长基材上的pr149面积负载量。表2电极油墨制剂a经由手动刷涂方法从mcts基材移除来自制备样品d的ir涂布的pr149晶须，如下所述。将mcts基材上大约30英寸的催化剂在罩中展开，催化剂涂层侧面朝上。用6号刷毛朝下将1895号刻花刷(中国刻花刷)保持在膜上。使用平滑的拖动运动，刷子在整个膜上移动，从而移除晶须。继续该刷子运动，直到几乎所有晶须从膜移除，留下有光泽的铬表面。将移除的晶须(现在为膜的一端)刷入70mm铝皿(vwr)中。然后将晶须从该皿倒入玻璃瓶中用于称重和储存。然后展开新的30英寸(76cm)长的nstf+ir晶须涂布膜，并且重复刷涂过程直至获得足够量的晶须(1至5克)。然后将2.0克拉丝催化剂置于125ml聚乙烯瓶(vwr)中。然后将该瓶移至仅含氮气的手套箱(vwr)中以安全地添加另外的溶剂。在氮气袋中至少5分钟后，将0.5克水、12克叔丁醇和1.5克丙二醇丁基醚添加到瓶中。然后在将1.26克3m725ew离聚物溶液(溶剂中18.8重量％固体，按重量计60:40npa:水)(725ew离聚物粉末购自美国明尼苏达州圣保罗的3m公司(3mcompany,st.paul,mn,usa))添加到混合物中之前，将其短暂地摇动。最后，将50克6mmzro2介质(高密度氧化锆球，直径5mm，密度6g/cm3，购自新泽西州克利夫顿的glenmills公司(glenmillsclifton,nj))添加到瓶中。首先将其振摇至多1分钟，然后在60rpm和180rpm之间的自动辊(即，球磨)上滚动24小时，并且将电极油墨与zro2介质分离。由该电极油墨制成的电极一旦干燥，就对其进行计算以得到10.6％的离聚物重量分数(包括ir、苝红、离聚物)，其转化为51％的离聚物固体体积分数(将离聚物、苝红和铱含量进行比较)。表3中汇总了电极油墨制剂a的配方细节。表3电极油墨制剂b电极油墨制剂b与电极油墨制剂a类似地配制，不同的是使用来自制备样品e的ir涂布的pr149晶须，并且电极油墨组合物产生9.3％的离聚物重量分数(包括ir、苝红、离聚物)，将其转化为51％的离聚物固体体积分数(将离聚物、苝红和铱含量进行比较)，汇总于表3中。电极油墨制剂c电极油墨制剂c与电极油墨制剂a类似地配制，不同的是使用来自制备样品f的ir涂布的pr149晶须，并且电极油墨组合物产生5.3％的离聚物重量分数(包括ir、苝红、离聚物)，将其转化为62％的离聚物固体体积分数(将离聚物、苝红和铱含量进行比较)，汇总于表3中。催化剂涂布膜ccma-c的制备催化剂涂布膜(ccm)是通过利用在美国专利号5,879,827(debe等人)中详细描述的工艺，将上述催化剂涂布的晶须转移到100μm厚的3m825ewmembrane的两个表面(完整ccm)上制造的。将从上面制备的阴极(0.25mg/cm2pt-nstf催化剂层)层合至pem的一侧(旨在成为阴极侧)，并将ir-nstf(制备样品a-c之一)层合至膜的另一(阳极)侧。通过使用层压机(以商品名“hl-101”购自美国俄亥俄州西切斯特托西的cheminstruments公司(cheminstruments,inc.,westchestertownship,oh,usa))将催化剂(在其相应的基材上)热辊层压到膜上来实现催化剂转移。热辊温度为350℉(177℃)，并且馈送气体管线压力以迫使层合机辊在150psi(1.03mpa)下在辊隙处压在一起。将pt-催化剂和ir-催化剂涂布的mcts预切割成15.2cm×11.4cm矩形形状，并夹在3m825ewpem的10.8cm×10.8cm部分的两侧上。在两侧具有催化剂涂布的mcts的膜放置在2密尔(51μm)厚的聚酰亚胺膜之间，然后在堆叠组件以1.2ft/min(37cm/min)的速度通过热辊层压机的辊隙之前，将纸材放置在外侧。紧接着通过辊隙之后，当组件还热时，迅速移除聚酰亚胺层和纸材，并且用手将cr涂布的mcts基材和pet基材与ccm剥离，从而留下粘接到pem表面的催化剂涂布的晶须。粘附到pem表面的催化剂涂布的晶须形成电极，该电极由部分嵌入到表面中的单层取向的晶须组成。阳极电极的面积ir负载量列于表4中。表4催化剂涂布膜阳极电极ir面积负载量(mg/cm2)ccma制备样品a0.750ccmb制备样品b0.500ccmc制备样品c0.200ccm1电极油墨制剂a0.215ccm2电极油墨制剂a0.655ccm3电极油墨制剂a0.669ccm4电极油墨制剂b0.143ccm5电极油墨制剂b0.264ccm6电极油墨制剂b0.737ccm7电极油墨制剂b0.739ccm8电极油墨制剂c0.798ccm1使用由自动mayer棒式涂布机(以商品名“gardcoautomaticdrawdownmachine”购自美国佛罗里达州庞帕诺比奇的pauln.garner公司(pauln.garnerco.，pompanobeach，fl，usa))控制的mayer棒，将得自电极油墨制剂a的电极油墨涂布到转移基材上。涂布后，将涂布的基材在惰性(氮气流)烘箱中干燥，以至少有效地从电极组合物中除去大部分(即便不是全部)溶剂，从而在基材上留下干燥的电极层。干燥后，测量干燥电极涂层和衬垫的质量，并减去已知的衬垫质量。通过将干燥电极质量除以基材面积来获得干燥电极的面积质量负载量。使用来自上表3的干燥电极组成信息和来自表2的催化剂组成信息，计算电极ir面积负载量为0.215mg/cm2，列于表4中。催化剂涂布膜ccm1通过使用如美国专利5,879,827(debe等人)中详细描述的方法将来自上面的阴极制备物(0.25mg/cm2pt-nstf催化剂层)层合至pem(100μm厚的3m825ew膜)的一侧(旨在成为阴极侧)而制得。将转移基材上的分散ir-nstf催化剂层层合至膜的另一(阳极)侧。通过使用层压机(以商品名“hl-101”购自美国俄亥俄州西切斯特托西的cheminstruments公司(cheminstruments,inc.,westchestertownship,oh,usa))将催化剂(在其相应的基材上)热辊层压到膜上来实现催化剂转移。热辊温度为350℉(177℃)，并且馈送气体管线压力以迫使层合机辊在150psi(1.03mpa)下在辊隙处压在一起。将pt催化剂涂布的mcts预切割成15.2cm×11.4cm矩形形状，并夹在pem的10.8cm×10.8cm部分的一侧上。将衬垫上的电极油墨制剂a预切割成7.5cm×7.5cm正方形，并夹在pem的10.8cm×10.8cm部分的另一侧上。将衬垫上的一侧上具有电极油墨制剂a电极而另一侧上具有阴极催化剂涂布的mcts的膜放置在2密耳(51μm)厚的聚酰亚胺膜之间，然后在堆叠组件以1.2ft/min(37cm/min)的速度通过热辊层压机的辊隙之前，将纸材放置在外侧。在穿过辊隙之后，立即在组件仍然温热的同时，迅速移除mcts基材以及聚酰亚胺和纸材的衬垫层，然后剥离移除mcts基材和电极油墨制剂a基材，从而留下粘附到pem表面的电极。ccm2和3ccm2和ccm3与ccm1类似地制备，不同的是改变电极油墨制剂a的涂布方法以在表4中列出的干燥电极涂层中分别产生0.655mg/cm2和0.669mg/cm2的ir面积负载量。ccm4、ccm5、ccm6和ccm7ccm4、ccm5、ccm6和ccm7与ccm1类似地制备，不同的是使用电极油墨制剂b代替电极油墨制剂a，并且改变电极涂层以分别产生0.143mg/cm2、0.264mg/cm2、0.737mg/cm2和0.739mg/cm2的ccm4、ccm5、ccm6和ccm7的ir面积负载量，列于表4中。ccm8催化剂涂布膜ccm8与ccm1类似地制备，不同的是使用电极油墨制剂c代替电极油墨制剂a以形成电极，并且涂布电极以产生0.798mg/cm2的ir面积负载量，列于表4中。电解槽在水电解槽单电池中测试以上制造的完整ccm。完整ccm安装有适当的气体扩散层，直接安装到50cm2的单个电池测试站(以商品名“50sch”获自新墨西哥州阿尔伯克基的燃料电池技术公司(fuelcelltechnologies,albuquerque,nm))中，其具有四个螺线型流场。阳极侧上的垂直石英流场块被替换成相同尺寸和流场设计的pt板ti流场块(获自马萨诸塞州奥本代尔的giner公司(giner,inc.,auburndale,ma))，以耐受电解槽运行期间的阳极高电势。膜电极组件如下形成：1)由玻璃增强的聚四氟乙烯(ptfe)膜(以商品名“ptfecoatedfiberglass”获得，获自美国明尼苏达州雅顿山的nott公司(nottcompany,ardenhills,mn,usa))制成的标称不可压缩阴极垫圈，所选择的膜具有经计算在组装好的电池中提供所需的气体扩散层压缩的厚度；将制备的垫圈(外侧尺寸为10cm×10cm，中空内侧尺寸为7cm×7cm)放置在50cm2新墨西哥州阿尔伯克基的燃料电池技术公司(fuelcelltechnologies(albuquerque,nm))的电化学电池(型号sch50，如上所述)的石墨流场块的表面上；2)将选择的阴极多孔碳纸放置在垫圈的中空部分中，其中疏水表面(当存在时)面朝上与ccm的阴极催化剂侧接触；3)将制得的ccm置于碳纸的表面上，其中具有h2逸出反应(her)催化剂的阴极侧与碳纸的(疏水性)表面接触；4)将外侧尺寸为10cm×10cm且内侧尺寸为7cm×7cm的阳极垫圈置于ccm的析氧催化剂涂布的表面上；5)将阳极气体扩散层(以商品名“bekiportitanium”购自乔治亚州玛丽埃塔的贝卡尔特公司(bekaertcorp,marietta,ga)的涂布有0.5mg/cm2铂的非织造钛片材)置于阳极垫圈的中空部分中，其中镀铂侧面向ccm的阳极催化剂(ir)侧；6)将镀铂钛流场块置于阳极气体扩散层和垫圈的表面上。然后用螺杆将钛流场块、阳极气体扩散层、ccm、阴极气体扩散层和石墨流场块压缩在一起。检查部件以确保它们可被均匀地组装和密封。电阻率为18mω·cm的纯化水以75ml/min供应至阳极。将功率供应源(以商品名“ess”，型号ess12.5-800-2-d-lb-rstl，获自新泽西州涅普顿的东电化兰达公司(tdk-lambda,neptune,nj))连接到电池并用于控制所施加的电池电压或电流密度。使用电压表(以商品名“fluke”，型号8845a6-1/2digitprecisionmultimeter，获自福禄克公司(flukecorporation))测量电池电压。通过功率供应源测量电池电流。通过测量极化曲线来评估电池性能，其中在80℃的温度和75ml/min的流向电池阳极的水流速率下在电池电压范围内测量电池电流密度。使用功率供应源，将电池电压设定为1.40v并保持300s。在300s保持期间，以大约每秒一个点测量电流密度和电池电压。在1.45v、1.50v、1.55v、1.60v、1.65v、1.70v、1.75v、1.80v、1.85v、1.90v、1.95v和2.00v下重复该测量过程，从而完成偏振曲线的前半部。极化曲线的后半部分由2.00v、1.95v、1.90v、1.85v、1.80v、1.75v、1.70v、1.65v、1.60v、1.55v、1.50v、1.45v和1.40v设定点处的类似电流和电压测量组成。最终偏振曲线数据如下进行分析。首先，将从极化曲线的前半部(部分从1.40v增加至2.00v)测得的电流密度和电池电压vs时间在每个设定点处在300s内独立地平均，从而产生平均极化曲线。图4和图5为包含电解槽电池的平均极化曲线的曲线图。接下来，通过对平均偏振曲线数据进行线性内插来获得在1.45v、1.50v和1.55v的特定电池电压下的电流密度。在表5中列出内插电流密度。图6是在1.50v下的内插电流密度随阳极电极ir面积负载量的变化的曲线图。表5结果图6和表5比较了作为阳极电极ir面积负载量的函数的各种ccm在1.50v下的电流密度。在1.50v电池电压下，测得的电流密度是阳极电极绝对催化活性的近似比例量度。给定电池电压下较高的电流密度表明较高的绝对催化剂活性。ccma、ccmb和ccmc的阳极电极由嵌入到膜表面中的单一取向的ir-涂布的晶须层组成，其中膜上每单位面积晶须的面数密度与mcts生长基材上的大约相同，为大约68/μm2。这些电极中ir含量的变化通过改变沉积到晶须上的ir的量来实现，这增加了载体晶须上ir金属薄膜的厚度。如上所述，比表面积(每单位质量的表面积)可随着ir薄膜厚度的增加而减小。对于ccma和ccmc，随着电极负载量从0.20mg/cm2增加至0.75mg/cm2(大约275％)，电流密度从0.032a/cm2增加至0.039a/cm2(大约23％)，与载体上的ir金属厚度从8.9nm至33.2nm的增加一致。ccm1-8的阳极电极由随机分布在含离聚物电极内的多个ir涂布的晶须组成。可基于电极油墨制造参数(例如，在给定的湿涂层厚度下的晶须与离聚物的重量比、溶剂比)和干燥电极涂层厚度的选择来定制每单位电极面积的ir涂布的晶须的面数密度。通过选择pr149晶须载体上的电极涂层厚度和ir涂层厚度来实现每单位电极面积的面积ir负载量的变化。根据制造参数的选择，每单位电极面积晶须的面数密度可在高于或低于mcts生长基材上的ir涂布的pr149晶须的面数密度(大约68/μm2)的范围内。对于包括具有2.2nm厚ir涂层的pr149晶须的ccm1和ccm3，随着电极ir面积负载量从0.215mg/cm2增加至0.669mg/cm2，电流密度从0.045a/cm2增加至0.107a/cm2(134％)。对于包括具有4.4nm厚ir涂层的pr149晶须的ccm4和ccm7，随着电极ir面积负载量从0.143mg/cm2增加至0.739mg/cm2，电流密度从0.031a/cm2增加至0.082a/cm2(161％)。ccm2、ccm3、ccm6、ccm7和ccm8具有0.655mg/cm2至0.798mg/cm2范围内的ir面积电极负载量，并且包含具有2.2nm、4.4nm和16.6nm厚ir涂层的pr149晶须。在该负载量范围内，当pr149载体上的ir厚度从16.6nm减小至4.4nm至2.2nm时，1.50v下的电流密度从0.043a/cm2单调增加至0.080-0.082a/cm2至0.091-0.107a/cm2。在ir面积电极负载量的类似范围内，ccm3相对于ccm1的绝对电流密度的增加(134％)高于ccmc相对于ccma的绝对电流密度的增加(23％)。通常，随着电极厚度增加，电极电阻也增加并且在较高电流密度下，由于电阻损耗变得大于低电流密度改善，因此在低电流密度下观察到的改善被抵消。在本实施例中，出乎意料地发现，在相对较低电流密度和较低电池电压(例如，接近1.50v)下观察到的ccm1-8相对于ccma-c的性能改善也保持在较高电流密度和较高电池电压(例如，接近1.90v)下。氢燃料系统实施例a-c为氢燃料系统，该氢燃料系统包括分别包含催化剂涂布膜ccma-c的电解槽，并且还包括运载工具油箱加注系统，该运载工具油箱加注系统连接到电解槽并且被配置成用由电解槽生成的氢气至少部分地填充运载工具的油箱；以及电连接到电解槽的电能储存系统。实施例1-8为氢燃料系统，该氢燃料系统包括分别包含催化剂涂布膜ccm1-8的电解槽，并且还包括运载工具油箱加注系统，该运载工具油箱加注系统连接到电解槽并且被配置成用由电解槽生成的氢气至少部分地填充运载工具的油箱。电能储存系统可电连接到实施例1-8中任一者的电解槽。在实施例a-c或1-8中的任一者中还可包括压缩装置，该压缩装置被配置成压缩电解槽所生成的氢气以形成压缩氢气，并且将压缩氢气提供给运载工具油箱加注系统。与图4-6所示的相比，氢燃料系统中所用的电解槽可在更高的电池电压和相应更高的电流密度下运行。上述所有引用的参考文献、专利和专利申请(包括临时、国际和国家专利申请)以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其他附图中的对应的元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。当前第1页12