INHE：PEMWE中阳极与PTL接触电阻

质子交换膜水电解槽(PEMWE)的阳极催化剂层与钛基多孔传输层(PTL)之间的接触电阻限制了系统的效率和耐久性。通常，与阳极接触的PTL侧涂有一层贵金属，如铂。这将导致系统的总成本增加。在这里，我们报告了各种金属涂层的影响(400 nm铂和金涂层;(2,10,400 nm铱涂层)对PEMWE器件的寿命初期性能和耐久性的影响。510 h(样品)耐久性测试中在1.5-2.2V和0-2.2V之间的电压变化。铂涂层获得了最佳的寿命起始性能，但在启停事件中获得最佳耐久性的是10 nm铱涂层(占系统中铱含量的不到2%)。并对夹紧应力的影响进行了分析。无论涂层的性质如何，电接触电阻随夹紧应力的增加而减小，并取决于夹紧历程。

催化剂层与PTL界面上的电子转移。对于具有大孔径的PTL，电子在催化剂层中的平均路径更大，从而产生收缩阻力。

a)带有弹簧和力传感器的单元的组装视图，以准确测量力，从而推断出夹紧压力; b)单个组件的分解视图。

LEMTA实验试验台示意图。

a)不同包覆和未包覆PTL寿命开始时的极化曲线。PH2=PO2=1 bar。T = 70 ℃。水流量= 10 L/h。夹紧压力= 5.1 MPa。b)高频电阻，c)iR校正极化曲线。

不同Ir涂层槽老化开始时和340 h后的极化曲线。在2A/cm2观测到的质量传输问题部分消失了。

a)不同夹紧压力下涂覆和未涂覆PTL寿命开始时的极化曲线。PH2=PO2=1 bar。T =70 ℃。水流速= 10L/h, b)高频电阻，c) HFR随夹紧压力@2A/cm2的函数变化，测量其对夹紧的敏感性。

a)电池电压@2A/cm2随老化时间的函数。PH2=PO2=15 bars(槽老化)/1bars(启停老化)。T = 70°c。水流量= 10l /h。夹紧压力= 5.1Mpa。b)对应的高频电阻和c) i)阳极侧和ii)阴极侧的水电导率随老化时间的函数，e)不同寿命阶段在阳极和阴极水线中检测到的Ir, Pt, Au和Ti量。

老化的物理带的照片显示了暗带和亮带之间的差异。按以下顺序:a) Ir涂层PTL, b)金涂层PTL, c)未涂层PTL, d)铂涂层PTL。镀有Au的PTL的MEA (e)和阳极(f)的SEM图像。

(a-e)MEA的SEM图像，(f) PEM的厚度估计，(g, h)老化过程后阳极和阴极催化剂层的厚度。

夹紧压力和夹紧压力历史的影响。未涂覆PTLPH2=PO2=1 bar。T = 70 ℃。水流量= 10 L/h a)电池电压@2A/cm2。b)氧中氢浓度。C)高频电阻曲线。

随着时间的推移，阳极催化剂层和PTL之间的电子接触电阻会对PEMWE电池的性能产生负面影响。事实上，在PEMWE阳极的恶劣条件下(高电位、低pH值和高氧压)，Ti氧化膜会形成，从而增加串联电阻并降低PEMWE系统的能效。接触电阻取决于PTL的性质(孔径、孔隙率、表面涂层的存在与否)、阳极电极的性质(电子导电性和厚度)和夹紧应力。它不是PTL固有的，可以在考虑电极、膜和氧压的情况下最小化。在这项研究中，我们比较了不同表面涂层对PEMWE电池在进行550 h加速老化测试前后性能的影响，该测试由1.5 V至2.2 V(槽老化协议)和0.0 V至2.2 V(启动/停止老化协议)之间的电位变化组成。MEA由Pt/C和IrO2组成，分别在阴极和阳极，并由Nafion 115膜组成。当使用PGM涂层PTL时，HFR值降低了30%。在PTL表面涂覆Pt获得了最佳的寿命起始性能。然而，事实证明，与Ir表面涂层相比，它的稳定性稍差，特别是在槽老化过程中。10nm Ir表面涂层(即0.02 mg/cm2，不到PEMWE电池中Ir总量的2%)在槽老化过程中导致电池电压稳定(2nm Ir表面涂层在启动/关闭阶段会降解)。在槽老化过程中，Au表面涂层被溶解，并在停止事件期间重新沉积在PEM或阳极/ PEM界面。最后，将未涂覆的Ti PTL暴露在接近零伏的电位下，限制了与阳极层的接触电阻，但肯定是以释放膜电极组件中溶解的Ti阳离子为代价的。夹紧应力的增大使渗氢速率增大，接触电阻减小。我们的研究结果还表明，电池的性能取决于夹紧的历程:在我们的实验装置中，最初拧紧到11.2 MPa的压力，然后松开，导致最佳的寿命开始性能。我们认为应力松弛增加了膜的含水量而不影响接触电阻。

On the contact resistance between the anode and the porous transport layer in a proton exchange membrane water electrolyzer - ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.134