ACS Cent. Sci. | 通過(guò)應(yīng)力優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的PEMWE
ACS Cent. Sci. | 通過(guò)應(yīng)力優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的PEMWE
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英文原題： Efficient and Stable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis Enabled by Stress Optimization
通訊作者： Hua Bing Tao（陶華冰）, Huakun Wang（王華昆）
作者： Jiawei Liu#（劉家偉）, Han Liu#（劉翰）, Yang Yang（楊洋）,Yongbing Tao（陶勇冰）, Lanjun Zhao（趙嵐軍）, Shuirong Li（李水榮）, Xiaoliang Fang（方曉亮）, Zhiwei Lin（林志為） ,Huakun Wang*（王華昆）, Hua Bing Tao*（陶華冰） ,Nanfeng Zheng（鄭南峰）
背景介紹
質(zhì)子交換膜電解水（PEMWE）因其結(jié)構(gòu)緊湊、清潔和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，已成為波動(dòng)可再生能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的一種有前景的解決方案。然而，其商業(yè)化應(yīng)用受到效率不足、耐用性低和成本高的阻礙。典型的PEM電解槽結(jié)構(gòu)由多孔傳輸層（PTL）、流道（FC）、催化層和膜組成，通過(guò)外部應(yīng)力預(yù)緊實(shí)現(xiàn)組件之間的良好電接觸。其中，催化層作為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，可能受到膜蠕變、不均勻的PTL纖維和流道等因素引起的不均勻應(yīng)力分布的破壞。因此，在PEMWE操作條件下催化劑層的機(jī)械降解不容忽視。
考慮到電解槽的組裝過(guò)程，應(yīng)力最初施加在端板上，然后經(jīng)流場(chǎng)板傳遞到內(nèi)部組件。因此，采用不同的流道結(jié)構(gòu)會(huì)引起電解槽內(nèi)部不同的應(yīng)力分布。盡管之前的研究報(bào)道了這些流道如何影響 PEMWE中的電子、水和氣體傳輸過(guò)程，但這些研究都沒(méi)有關(guān)注在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不同流道對(duì)催化層應(yīng)力分布的影響。
文章亮點(diǎn)
1
我們采用商業(yè)梯度化鈦網(wǎng)替代傳統(tǒng)的蛇形流道，顯著減輕了電解槽內(nèi)部的應(yīng)力不均勻分布，保障了催化層的結(jié)構(gòu)完整性。因此，在2 A/cm 2 電流密度下，采用鈦網(wǎng)流道組裝的電解槽初始電壓比蛇形流道低27 mV，并且電壓衰減速率降低了8倍。
2
我們?cè)诟哌_(dá)100 kW的擴(kuò)規(guī)模電解槽中證明了以鈦網(wǎng)作為流道的可靠性。在放大三個(gè)數(shù)量級(jí)后，2 A/cm 2 電流密度時(shí)電壓僅增加了20 mV（占總電壓的不到2%）。
圖文解讀
使用壓力敏感紙對(duì)兩種流道結(jié)構(gòu)組裝的電解槽內(nèi)部的應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)試（圖1a和d）。蛇形流道（S-FC）由于溝槽和脊部的高度差，導(dǎo)致內(nèi)部明顯的不均勻應(yīng)力分布（圖1b）。而鈦網(wǎng)流道（TM-FC）具有梯度化的結(jié)構(gòu)，靠近催化層的一側(cè)具有更小的孔隙，使得應(yīng)力在界面處的傳遞更加均勻（圖1e）。測(cè)試后，兩種電解槽的陽(yáng)極催化層（ACL）也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。
圖1. 兩種流道結(jié)構(gòu)電解槽的應(yīng)力分布測(cè)試
在2 A/cm 2 、80 ℃條件下測(cè)試了兩種流道結(jié)構(gòu)電解槽的穩(wěn)定性。與蛇形流道電解槽的陽(yáng)極催化層（ACL-S-FC）相比，鈦網(wǎng)流道（ACL-TM-FC）表現(xiàn)出更好的初始性能和更低的電壓衰減速率（圖2a）。圖2（b）和（c）中的極化曲線驗(yàn)證了ACL-TM-FC的老化后的性能衰減可以忽略不計(jì)，而ACL-S-FC老化后出現(xiàn)嚴(yán)重的降解情況。此外，ACL-TM-FC具有更小的高頻電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻（圖2d和e），這表明其具有更好的PTL/ACL界面接觸效果。
圖2. 兩種流道結(jié)構(gòu)電解槽的電化學(xué)性能對(duì)比
隨后我們?cè)诓煌叽绲碾娊獠凵线M(jìn)行了鈦網(wǎng)流道的適用性驗(yàn)證。結(jié)果表明，在電解槽活性面積放大約12倍后，ACL-TM-FC和ACL-S-FC依然存在類(lèi)似的性能差距（圖3b）。此外，我們?cè)陔娊獠刍钚悦娣e的持續(xù)放大過(guò)程中驗(yàn)證了鈦網(wǎng)流道的可靠性。在從4 cm 2 的10 W級(jí)單槽放大到600 cm 2 的100 kW級(jí)電堆過(guò)程中，電解槽槽壓衰減控制在20 mV（圖3d）。
圖3. 鈦網(wǎng)流道的商業(yè)化驗(yàn)證
總結(jié)與展望
本文介紹了一種簡(jiǎn)單高效的TM-FC，旨在提升PEMWE的性能和耐用性。相較于傳統(tǒng)的S-FC，具有梯度孔徑的TM-FC能有效緩解電解槽內(nèi)部的應(yīng)力分布不均。因此， ACL-TM-FC呈現(xiàn)出更平整的結(jié)構(gòu)，顯著改善了ACL平面內(nèi)電子的傳輸情況。此外，在電解槽商業(yè)化放大的過(guò)程中，TM-FC依然表現(xiàn)出較好的性能。這項(xiàng)研究提供了提升PEMWE性能和耐用性的新思路，為電解槽的商業(yè)化應(yīng)用提供了有力支持。
通訊作者信息
1. 陶華冰 副教授
廈門(mén)大學(xué)
南強(qiáng)青年拔尖人才、嘉庚實(shí)驗(yàn)室重大項(xiàng)目負(fù)責(zé)人
郵箱：hbtao@xmu.edu.cn
2. 王華昆 助理教授
廈門(mén)大學(xué)
福建省高層次人才（C類(lèi)）、廈門(mén)市高層次人才（C類(lèi)）
郵箱：hkwang@xmu.edu.cn
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ACS Cent. Sci. 2024, ASAP
Publication Date: March 21, 2024
https://doi.org/10.1021/acscentsci.4c00037
Copyright ? 2024 The Authors. Published by American Chemical Society
Editor-in-Chief
Carolyn R. Bertozzi
Stanford University
Deputy Editor
Kirk S. Schanze
University of Texas at San Antonio College of Sciences
ACS Central Science 出版有關(guān)化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域最引人注目的研究成果，其中化學(xué)方法起到關(guān)鍵作用。同時(shí)， ACS Central Science 是美國(guó)化學(xué)會(huì)出版的第一本完全開(kāi)放獲取期刊，旨在探討化學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域的重要進(jìn)展，以及應(yīng)用和跨學(xué)科研究，重點(diǎn)介紹化學(xué)在其他眾多科學(xué)學(xué)科中的重要作用。
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