重大CEJ：阴极微孔层降低氢渗透和提高质子交换膜水电解槽的性能

氢的渗透性和电池性能是影响质子交换膜（PEM）电解安全高效运行的关键因素。本文研究了阴极微孔层（MPL）对质子交换膜水电解槽（PEMWE）中水传输、氢渗透和电池性能的影响。结果表明，在400 N cm−2下，在阴极的催化剂层（CL）和多孔传输层（PTL）之间添加MPL可使界面接触电阻降低约60%，从而提高了性能。MPL的润湿性对PEMWEs的水输运和氢渗透起着至关重要的作用。疏水性MPL-P-CB4以聚四氟乙烯（PTFE）为粘结剂，炭黑（CB）负载量为4 mgCB cm−2，通过反向扩散增强了水和氢从阴极向阳极的交叉，在2.0 A cm−2时，阳极产物气体中H2含量为2 vol%（爆炸下限为50 %），超过了技术安全标准。然而，以Nafion离子为粘合剂的亲水性MPL （MPL-N-CB4）通过毛细压力将阴极CL中的水和氢有效地去除到阴极流场，在2.0 A cm−2时，O2中H2的体积百分比仅为0.2 。因此，在PEMWE阴极中，亲水MPL是实现优异性能和低氢交叉的最佳选择。该研究为设计下一代PEMWE阴极的PTL/CL接口提供了有价值的见解。

(a) MPL-0, (b) MPL-P-CB2, (c) MPL-N-CB2；(d)MPL-0, (e) MPL-P-CB2, (f) MPL-N-CB2。(g) MPL-0、MPL-P-CB2和MPL-N-CB2的总孔隙度值。(h) MPL-0、MPL-P-CB2和MPL-N-CB2的孔径分布。

(a)不同碳负荷下不同MPLs的ICR与压实力的关系；(b)压实力为400 N cm−2时不同MPLs的ICR。

(a) MPL-0、MPL-P-CB2和MPL-N-CB2水浸4 h后的接触角。(b)液滴在阴极PTL处突破时PTL/CL压差曲线的时间依赖性。(c)液滴突破后PTL/CL的稳定压差。

MPL-0和MPLs（大气压，80 °C）下PEMWEs的极化曲线。(a)极化曲线，(b)过电位，包括活化、欧姆和质量传递过电位，(c)高频电阻。

(a)不同MPLs下通过膜的水交叉通量的电流密度依赖性。(b) 0.1 A cm−2（上）和2 A cm−2（下）电流密度下的水交叉通量。

不同电流密度下MPLs对氢气渗透的影响：(a) O2中H2含量和(b)不同MPLs下氢气渗透通量。

在本研究中，全面研究了阴极MPLs在PEMWEs的水传输、氢渗透和电池性能中的作用。结果表明，亲水性和疏水性MPLs都降低了PTL和CL之间的ICR，从而提高了PEMWEs的性能。然而，使用聚四氟乙烯作为粘合剂的疏水性MPL的PEMWE由于反对流而表现出较低的水交叉和较高的氢渗透，这构成了爆炸的危险。相比之下，以Nafion为粘合剂的亲水MPL可以有效地促进水和氢从阴极到流场的去除。因此，亲水MPL在整个电流密度范围内导致较低的氢交叉。因此，与PEM燃料电池不同，亲水MPL具有优越的性能，而低氢交叉阴极则适用于PEM水电解槽。

Dual functionality of cathode microporous layers: Reducing hydrogen permeation and enhancing performance in proton exchange membrane water electrolyzers - ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157060

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