PEM 電解水裝置中引入?yún)⒈入姌O新策略

PEM電解水以高電流密度，高效的電壓利用率和高純度的產(chǎn)氫成為熱門電解水研究類型。但PEM電解水反應(yīng)中，涉及陰陽極，催化劑，質(zhì)子交換膜，氣體擴(kuò)散層(GDL)和鈦基-多孔傳輸層(PTL)等關(guān)鍵部分，使得研究過程異常復(fù)雜。

近期，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Hubert A. Gasteiger 教授團(tuán)隊，開創(chuàng)性的在PEM電解水裝置中，正負(fù)極之間插入一個鉑絲參比電極，并結(jié)合電化學(xué)交流阻抗技術(shù)(EIS)，來同步監(jiān)測電解水池中正極和負(fù)極的變化。

參比電極引入的具體方法

使用直徑50 μm的Pt 絲，外層包覆9 μm PTFE 絕緣層作為參比電極。為了確保良好的電子和離子接觸，Pt絲前端去除約1cm的絕緣層。另外一端插入兩個Nafion 212膜電極中間(厚度50 μm)，分別將正極和負(fù)極材料在155°C，2.5 MPa下熱壓3min，為了保護(hù)Pt絲接觸的界面，將40 μm厚度的聚丙烯膜熱壓于接觸點上。

Pt參比電極引入的優(yōu)勢

• 可利用輔助分壓結(jié)合阻抗分析

• 診斷出陽極的質(zhì)子傳導(dǎo)阻抗，陽極催化層的電容等

• 區(qū)分陰陽極各自的高頻阻抗

• 新工具可應(yīng)用于不同壓力測試下的性能下降診斷

• 在低電流、高電流及無電流(開路電位下)交替變換，模擬電解水波動操作

• 揭示出性能下降，陽極和多孔傳輸層(PTL)接觸電阻增大的相關(guān)性

上圖為OCV-AST 測試步驟，圖a中為不同電流密度及開路電位變換，模擬電解水波動狀態(tài)。圖b顯示出陰陽極所對應(yīng)的電壓變化。當(dāng)電流中斷為0A時，電壓大約在10min后降低為0V，這歸結(jié)為陰極的氫氣穿透膜后在陽極累積形成高壓約10 bar，同時陽極電勢較低約0V，IrO2被還原形成金屬Ir，從而導(dǎo)致HOR反應(yīng)發(fā)生。

上圖a 顯示了整體阻抗，第一次(黑線)和第70次(黑色圈)OCV-AST測試后的對比，同時也顯示出陽極對參比的阻抗響應(yīng)，表現(xiàn)出預(yù)期的阻塞電極響應(yīng)，圖b為相同條件下的陰極對參比電極的阻抗響曲線，陰極的阻抗相對于陽極及整體阻抗較小。