对传统化石燃料的过度依赖正在推动能源和环境危机；因此，迫切需要向绿色、清洁的能源转变，以加速全球能源系统的转型[[1], [2], [3]]。作为能源载体，氢气具有多种优势，包括环境友好性、高能量密度（140?MJ?kg?1）和广泛的分布。因此，氢气被广泛认为是解决当前环境和能源挑战的关键方案[4,5]。绿色氢气可以通过可再生能源驱动的水电解来生产[6]。在各种电解技术中，质子交换膜水电解器（PEMWE）因其快速响应、高效率、紧凑的堆栈设计、高安全性和高纯度（高达99.995%）而脱颖而出[[7], [8], [9], [10]]。
PEMWE通常包括一个催化剂涂层膜（CCM）、两个液体/气体扩散层（LGDL，也称为PTL）、两个双极板（BP）、两个用于密封的垫圈以及位于阳极和阴极电极两侧的两个电流分配器（图S1b）。这些组件使用螺栓固定在一起[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。调整螺栓扭矩和垫圈厚度会改变组件之间的夹紧压力，从而影响PEMWE内部的气体、液体、质子和电子的传输[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [17]]。此外，水吸收和温度的变化会导致Nafion?膜的厚度变化[11,12]，从而引起PTL和CL之间的夹紧压力变化[13,17]。
先前的研究表明，沿CCM或PTL的变化会导致膜变形不均匀，陆地区域的变形比通道区域更大。随着PTL压缩的增加，PEMWE的性能最初会提高，但当PTL压缩超过某个阈值时，性能会恶化，此时坚硬的Ti-PTL会被压入CCM[14]。Soriano等人证明，在相同的螺栓扭矩下，不同的密封垫圈材料会产生不同的夹紧压力分布。尼龙橡胶和乙丙二烯单体橡胶（EPDM）的组合被确定为制造绝缘和密封垫圈的最佳材料。在3.70?N?m的螺栓扭矩下，该组合在膜的活性区域提供了更高的平均夹紧压力（2.23?MPa）和更高的PTL压缩百分比（85.48%）[15]。其他研究比较了螺栓夹紧和气动活塞夹紧对PEMWE的夹紧压力分布和性能的影响。增加组装螺栓的扭矩会导致局部电流密度不均匀，而气动活塞夹紧则不会产生这种效应。尽管更高的螺栓扭矩可以提高电化学性能，但伴随的局部电流密度不均匀性可能会加速PEMWE的降解[16]。CCM固有的柔韧性以及其在吸水后膨胀的倾向使其在受到夹紧压力和可变水含量时容易发生变形。这种变形又会影响CL的拓扑结构和PEMWE的整体性能[18]。Yang等人发现，Nafion 115的膨胀百分比随着水温度的升高而增加[19]。Hoppe等人使用X射线计算机断层扫描研究了PEMWE中CCM的膨胀情况。结果显示，湿润状态下的CCM厚度在陆地区域和通道区域都超过了干燥状态。在陆地区域，干燥CCM的厚度约为49.4?±?1.0?μm，而湿润状态下的CCM厚度为63.9?±?1.4?μm，增加了30%。在通道区域，厚度也增加了25%[18]。Escoubes等人[20]和Borgardt等人[17]测量了水吸收后的膜夹紧压力。Borgardt等人将膜夹在固体板和多孔板之间，向电池中注入水，并测量到30?MPa的夹紧压力。Escoubes等人报告在无约束条件下的夹紧压力为1–1.3?MPa，当膜膨胀受到限制时，夹紧压力增加到50?MPa。然而，所有这些研究都仅关注观察膜的膨胀行为，而没有对膨胀过程进行电化学表征。与扭矩和PTL压缩不同，CCM膨胀过程中施加的夹紧压力方向相反（图1），但目前尚未有研究探讨其对PEMWE性能的影响[18]。
本研究使用电化学表征技术研究了各种组装参数（PTL压缩、扭矩和CCM膨胀）对PEMWE性能的影响。通过压力敏感纸测试和3D激光扫描共聚焦显微镜可视化PTL和CCM接触表面的夹紧压力引起的变化以及CL形态的变化。本研究提出了不会机械损坏CL也不影响电化学性能的组装参数，为PEMWE的安装提供了指导。
