電化學知識

PEM 電解水裝置中引入參比電極新策略

PEM電解水以(yǐ)高電流密度，高效的(de)電壓利用率和(hé / huò)高純度的(de)産氫成爲(wéi / wèi)熱門電解水研究類型。但PEM電解水反應中，涉及陰陽極，催化劑，質子(zǐ)交換膜，氣體擴散層(GDL)和(hé / huò)钛基-多孔傳輸層(PTL)等關鍵部分，使得研究過程異常複雜。

近期，德國(guó)慕尼黑工業大(dà)學的(de)Hubert A. Gasteiger 教授團隊，開創性的(de)在(zài)PEM電解水裝置中，正負極之(zhī)間插入一(yī / yì ／yí)個(gè)鉑絲參比電極，并結合電化學交流阻抗技術(EIS)，來(lái)同步監測電解水池中正極和(hé / huò)負極的(de)變化。

參比電極引入的(de)具體方法

使用直徑50 μm的(de)Pt 絲，外層包覆9 μm PTFE 絕緣層作爲(wéi / wèi)參比電極。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)确保良好的(de)電子(zǐ)和(hé / huò)離子(zǐ)接觸，Pt絲前端去除約1cm的(de)絕緣層。另外一(yī / yì ／yí)端插入兩個(gè)Nafion 212膜電極中間(厚度50 μm)，分别将正極和(hé / huò)負極材料在(zài)155°C，2.5 MPa下熱壓3min，爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)保護Pt絲接觸的(de)界面，将40 μm厚度的(de)聚丙烯膜熱壓于(yú)接觸點上(shàng)。

Pt參比電極引入的(de)優勢

• 可利用輔助分壓結合阻抗分析

• 診斷出(chū)陽極的(de)質子(zǐ)傳導阻抗，陽極催化層的(de)電容等

• 區分陰陽極各自的(de)高頻阻抗

• 新工具可應用于(yú)不(bù)同壓力測試下的(de)性能下降診斷

• 在(zài)低電流、高電流及無電流(開路電位下)交替變換，模拟電解水波動操作

• 揭示出(chū)性能下降，陽極和(hé / huò)多孔傳輸層(PTL)接觸電阻增大(dà)的(de)相關性

上(shàng)圖爲(wéi / wèi)OCV-AST 測試步驟，圖a中爲(wéi / wèi)不(bù)同電流密度及開路電位變換，模拟電解水波動狀态。圖b顯示出(chū)陰陽極所對應的(de)電壓變化。當電流中斷爲(wéi / wèi)0A時(shí)，電壓大(dà)約在(zài)10min後降低爲(wéi / wèi)0V，這(zhè)歸結爲(wéi / wèi)陰極的(de)氫氣穿透膜後在(zài)陽極累積形成高壓約10 bar，同時(shí)陽極電勢較低約0V，IrO2被還原形成金屬Ir，從而(ér)導緻HOR反應發生。

上(shàng)圖a 顯示了(le／liǎo)整體阻抗，第一(yī / yì ／yí)次(黑線)和(hé / huò)第70次(黑色圈)OCV-AST測試後的(de)對比，同時(shí)也(yě)顯示出(chū)陽極對參比的(de)阻抗響應，表現出(chū)預期的(de)阻塞電極響應，圖b爲(wéi / wèi)相同條件下的(de)陰極對參比電極的(de)阻抗響曲線，陰極的(de)阻抗相對于(yú)陽極及整體阻抗較小。