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AEM(阴离子交换膜)电解水膜电极(MEA)设计

 更新时间:2024-04-03    点击量:604

一是近来AEM电解水制氢技术很热;二是刚好最近有一些高校学生找我在探讨AEM电解水膜电极MEA的制作。所以今天就根据所学习的文件做一些简单的整理,知识偏理论层面,实际操作需要大家尝试和领悟,仅供大家参考,也实在没法教大家太多!

为了形成MEA膜电极组件,催化剂可直接沉积在离子膜上,称为催化剂涂层膜 (CCM) 技术,或沉积在基底上,称为催化剂涂层基底 (CCS) 技术。对于 AEMWE 而言,基底层通常可以选择 GDL(气体扩散层)或 PTL(多孔传输层),涂覆在基底上的典型制备方法包括有湿法,即催化剂粉末和离子聚合物与适当的溶剂混合,形成稳定的浆料。浆料通过喷涂或涂刷的方式附着于 GDL 上。为了减少湿法制备MEA 过程中相关的浪费和大量溶剂的使用,目前正在研究使用其他的薄膜沉积方法,如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、离子束溅射沉积(IBD)或磁控溅射(PVD类)都是此类薄膜沉积方法的例子。


CCS 方法通过将催化剂浆料直接沉积在适当的基底上,可以更容易地控制制造坚固稳定的催化剂层。另外,CCM 方法的好处是改善催化剂层与膜界面的接触,从而提高离子传导性,有利于降低界面接触电阻。但CCM主要的问题是,离子膜的稳定性可能会受到影响,而且在催化剂沉积过程中,膜的表面会发生变化,如溶胀。实际上CCM 和 CCS工艺制造的 MEA 之间的性能比较并不是一个简单的问题,因为许多因素,如膜的稳定性、离聚体和膜的兼容性以及沉积技术,都可能导致结果有很大的差异。
不同工艺制造的 MEA 的AEMWE 单电池性能在很大程度上取决于工作温度、催化剂类型(PGM 与非 PGM)和电解质。也有研究报告称,CCM 阴极和 CCS 阳极电极配置具有最佳性能,但由于阳极催化剂颗粒的分层,CCM 方法的电池稳定性较差。


降低离子交换膜与 采用CCS工艺的阳极之间的界面接触电阻的另一种策略是在 PTL 和 MEA 之间加入微孔层 (MPL),如下图所示:


图片


图例说明:不同AEMWE电池的原理图,包括:


(A)仅PTL。
(B)在阳极和阴极上添加NiMPL-PTL。
(C)在60°C下测量的AEMWE电池性能,用于进水,配置PTL/PTL(商用Ni网)和NiMPL-PTL/NiMPLPTL。
(D)两种电池配置在0.5 A/cm2(从50 kHz到100 mHz)下的电化学阻抗谱测量。
由于涉及许多变量,确定影响 MEA 和催化剂层的制备参数在某种程度上是需要采用类似采用DOE的试验方法。从 PEMWE(电解水) 和 FC(燃料电池) 中获得的一些知识可以推广应用到 AEMWE。此外,MEA 组件的分子动力学建模与实验验证相结合,可以更快地推动该领域的发展。一般来说,热压 MEA 有利于增加催化剂层与阴离子交换膜( AEM )之间的接触,但 AEM 可能会变干。AEM&AEI的Tg值是决定热压温度的重要考量因素。与FC(燃料电池)的气体进料相比,需要控制热压条件以避免AEM被压缩,特别是对于液体进料的AEMWEs,需要在120 ~195°C, 50 ~300秒,压力范围在2~200 kg/cm2之间。


MEA 组件也需要同步优化,以解决水管理等因素,避免干涸和水淹。基于 PEM(质子交换膜) 的 FC(燃料电池) 和 WE(电解水) 已经解决了其中的许多问题,但在碱性条件下,阳极和阴极产生和消耗的水的不平衡情况要比酸性条件下严重。使用 1 摩尔 KOH 碱液做电解质时,阳极的 OER 所需的 OH- 供应充足,而纯水进料的 OER 则取决于通过阴极发生的水裂解反应供应 OH-。在 AEMWE 的电化学反应中,阳极产生 1 摩尔 H2O,阴极消耗 2 摩尔 H2O,而对于 PEMWE,阳极消耗 1 摩尔 H2O,阴极消耗 0 摩尔 H2O。 尽管 H2O 在阳极产生,在阴极消耗,但阳极进水似乎已成为 AEMWE 的进水模式。这种模式减少了对 H2O 和 H2 分离的需求,因此可从电解池中获得纯度更高的H2。 然而,通过向阴极和阳极同时给入电解质,可达到最佳的电池性能和最高的工作电流密度,这也降低了阳极脱水的风险,并增加了向阴极的水传输(属于双循环平衡式)。未来的战略是定制有序的 MEA 和传输层结构,将液体和气体导入到特定的区域,这对于设计新颖有效的电极结构非常重要。这可能包括沿面内(电极到电极)方向调整催化剂层的分层孔隙率,以及利用可憎水 甚至亲水的改性剂。液体流速和 KOH 浓度的优化都与实际 AEMWE 的设计有关,但迄今为止研究还有限。

来源:氢眼所见
注:已获得转载权



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