超低铱PEM制氢---界面传输的重要影响（如何选择扩散层）

PEM制氢目前依然需要大幅度降低贵金属铱的使用，在低铱载量的条件下，有必要刨析限制PEMWE整体性能的因素，本项工作在0.5mgIr/cm2的载量下，通过对比不同体相和表面性质的5种PTL的差异，证实了PTL对于超低铱载量的PEMWE性能有巨大影响，体相结构决定了PEMWEs的质量传递和欧姆电阻，而PTLs的表面特性决定了催化剂层的利用和电极动力学过程。

5种采用同一种纤维制备而来的钛毡参数如表1所示（厚度、孔隙率、孔径、弯曲度），SEM图也可以看出表面性质和体相性质的差异。

图1Ti纤维基PTL表面电镜图a)纤维直径，比例尺:50µm, b)-f) 03-0.15、05-0.15、06-0.15、05-0.125和10-0.25，比例尺:500µm

如图2所示，不同PTL下PEM电解槽的极化性能有明显差异，表明PTL结构差异对欧姆阻抗和质量传递电阻的影响比动力学更大。

图2. 5个PTL的XCT图:a) 03-0.15, b) 05-0.15, c) 06-0.15, d) 10-0.25, e) 05-0.125。f) 5种PTL在超低Ir负载下的极化曲线

对极化性能进行质量归一化处理，PTL引起的动力学过电位变化大约为40 mV（从20到80A mgIr−1）（如图3b所示），不同PTL的传质过电位的差异更为明显（图3c），而接触阻抗的差异性不大。

图3. a)使用不同PTL的质量归一化电流的极化曲线，b)动力学过电位，c)传质过电位，d)的欧姆过电位。

界面接触面积和孔隙率呈反比关系(图4a)，过高的孔隙率(PTL03-0.15)会导致PTL和催化层的接触面积下降，影响电极动力学。过高的界面面积(PTL10-0.25和05-0.125分别为47%和52%的接触面积)导致催化剂部分掩埋，活性位点失效。两个中等孔隙率和接触面积的PTL显示出最佳的电极动力学性能，即05-0.15和06-0.15（图4b）。在35.4%和29.4%的中等界面面积下，非接触区域减少，电子自由传输时电阻减小，则催化剂利用率更高，电极动力学更好。图4c显示了欧姆过电位与PTL-催化剂层接触面积的依赖关系，分析在较低的接触面积下，PTL与催化剂层之间的接触会引入较高的过电位，而在较高的接触面积下，氧气排除阻碍了水的输送，导致局部膜脱水现象。

图4. 界面接触面积与孔隙度的关系；b) 界面接触面积对动力学过电位的影响；c) 欧姆过电位作为界面接触面积的函数；d) 形成因素对质量传输过电位和总过电位的影响。

总结：超低Ir负载的PEMWEs的电极动力学主要受到PTL表面孔隙度以及PTL的扭曲度和孔隙度的影响。尤其重要的是，PTL表面孔隙度需要在考虑PTL/催化剂层接触面积和催化剂层对PTL纤维供水之间取得平衡。PTL的整体特性可以通过影响水和氧气在PTL中的分布和传输，从而显著影响PEMWEs的质量传输阻力。高孔隙度和低扭曲度的PTL可以促进氧气的去除并提高水的渗透性，因此为PEMWEs的运行提供低质量传输阻力。具有这些特性的PTL可以实现最佳催化剂层利用率和两相流动，从而确保优化的性能，可改善耐久性，因为在质量传输受限的状态下运行对长期稳定性有害。

原文出处 DOI: 10.1002/advs.202102950

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