聚合物电解质膜水电解槽降解现象分析研究报告
作者及发表信息
本研究由Christoph Rakousky、Uwe Reimer、Klaus Wippermann、Marcelo Carmo*（通讯作者）、Wiebke Lueke和Detlef Stolten合作完成，研究团队来自德国Forschungszentrum Jülich GmbH的IEK-3: Electrochemical Process Engineering部门，以及RWTH Aachen University的Chair for Fuel Cells。研究成果发表于Journal of Power Sources期刊，2016年出版，卷号326，页码120-128。
学术背景
本研究属于电化学能源存储与转换领域，聚焦于聚合物电解质膜（PEM, Polymer Electrolyte Membrane）水电解槽的长期耐久性问题。PEM水电解技术可将可再生能源（如风能、太阳能）产生的电力转化为氢气储存，但其大规模商业化应用受限于关键组件（如多孔传输层PTL, Porous Transport Layer）的降解问题。
此前研究表明，PEM电解槽的降解主要涉及：
1. 钛基阳极组件的钝化（导致欧姆电阻增加）；
2. 离子杂质污染电解质和电极（降低质子传导率）；
3. 催化剂材料的结构变化（如铂颗粒团聚）。然而，针对PTL降解机制的定量研究仍较缺乏。本研究旨在揭示钛基PTL的腐蚀行为对电解槽性能的影响，并通过实验验证铂涂层PTL的优化效果。
研究流程与方法
1. 实验设计与材料
- 研究对象：采用商业化的PEM单电解槽，活性面积为17.64 cm²，核心组件包括：
- 催化剂涂层膜（CCM, Catalyst-Coated Membrane）：阳极催化剂为IrO₂/TiO₂（负载量2.25 mg/cm²），阴极催化剂为Pt/C（负载量0.8 mg/cm²），电解质为Nafion® 117膜。
- 多孔传输层（PTL）：阴极使用Toray碳纸（TGP-H 120），阳极采用未涂层（对照组）或铂涂层（验证组）的钛烧结板（GKN T3P）。
- 测试条件：恒电流密度2 A/cm²，温度80°C，运行时间超1000小时。
2. 长期耐久性测试
- 电压监测：记录电解槽电压随时间的变化，分析降解速率（µV/h）。
- 极化曲线与电化学阻抗谱（EIS）：定期测量以区分欧姆电阻（Ru）和电荷转移电阻（Rct）的变化。
- 半电池电位测量：通过动态氢电极（DHE, Dynamic Hydrogen Electrode）定位降解主要发生在阳极或阴极。
3. 物理化学表征
- 扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDX）：观察CCM横截面元素分布，检测钛物种迁移。
- 透射电子显微镜（TEM）与X射线衍射（XRD）：分析阴极Pt颗粒尺寸变化。
- PTL电阻测试：测量未涂层与铂涂层钛PTL的电阻变化。
4. 验证实验
组装第二组电解槽，使用铂涂层钛PTL，对比其降解速率与未涂层PTL的差异。
主要结果
降解机制分析
- 欧姆电阻主导降解：未涂层PTL的电解槽平均降解速率为194 µV/h，其中78%的电压升高源于阳极PTL钝化导致的Ru增加（从131 mΩ·cm²升至157 mΩ·cm²）。
- 可逆降解现象：61%的电压升高在电流中断后恢复，可能与PTL表面氧化层的动态变化有关。
- 催化剂污染：EDX显示钛物种从阳极迁移至阴极，污染离子omer并降低阳极交换电流密度（j0降至初始值的37%）。
铂涂层PTL的优化效果
使用铂涂层PTL后，降解速率降至12 µV/h（降幅89%），且Ru随时间下降，证明非腐蚀性PTL对长期稳定的关键作用。
阴极Pt颗粒生长
TEM显示阴极Pt颗粒从4.3 nm增至7.7 nm，但因其对j0影响较小，未显著贡献于电压升高。
结论与价值
- 科学价值：首次量化了钛PTL钝化对PEM电解槽性能的影响，提出可逆/不可逆降解的分离方法，为寿命预测模型提供数据支持。
- 应用价值：证实铂涂层PTL可大幅提升耐久性，为低成本、长寿命电解槽设计指明方向。
研究亮点
- 创新方法：结合EIS、极化曲线建模与EDX元素分布分析，多维度定位降解源。
- 关键发现：钛污染是阳极性能下降的主因，而Pt颗粒生长对整体降解贡献有限。
- 工程意义：提出PTL表面改性策略，推动电解槽工业化应用。
其他有价值内容
附录中通过极化曲线模型推导了交换电流密度j0与标准电压选择的数学关系，增强了数据可比性。