Nel：PEM-MEA阴阳极衰减机理研究

主要内容：喷雾沉积技术制备了低贵金属含量（0.2-0.3 mg/cm²）的PEM水电解膜电极（以下简称PEM-MEA）。在稳态工况下测试了5000 h，讨论衰减机理。

Introduction：

PEM水电解优势：①高电流密度；②更高的操作压力（可>50 bar）;③氢气纯度更高。

限制因素：①高贵金属含量；②耐久性；③氢气渗透。

衰减的环境因素：阳极高电压与低PH（约1）。

实验参数：

活性面积：86 cm²

稳态测试电流：1.8 A/cm²

氢气压力：400 psi

温度：50℃

时间：5000 h

CCM组成：见图1，在N117与N211间有一个Pt Recombination layer（RL），可以抑制氢气泄漏。详情可见：东芝：金属Ir降低至1/10！

图1 CCM结构图。

耐久性测试结果：

   图2（a）前3000 h衰减速度是37μV/h,后2000h衰减速度为15μV/h，这个不是特别理解为什么。商业化需求是70000h寿命，衰减速度<6μV/h。

   Nel baseline是Nel公司自己的PEM-MEA初始性能（Ir载量为3mg/cm²）。

   图2d，引入RL层，可抑制氢气泄漏（安全值要求<10% LFL）。电流密度越大，阳极氢气百分比越少的原因：阴极维持400psi不变，氢气透过量恒定，电流越高，氧气越多，稀释了氢气浓度。

图2 PEM-MEA耐久性测试结果。

阳极失效模式：

    阳极催化层减薄、Ir溶解沉积在膜上形成Ir带（图3b）、阳极PTL中Pt与基底分离（图3d）。

图3 阳极催化层HADDF-STEM。

阴极失效模式：

   Pt溶解、迁移、团聚。有意思的是在靠近阴极一侧膜内出现了PtIr合金颗粒（H₂还原所致，图4）。

图4 靠近阴极催化层膜内颗粒表征。

Ir、Pt5000h后元素分布：

    Ir从阳极横穿阴极，Pt到不了阳极（图5）。

图5 5000h后Ir、Pt元素分布

思考：

    阳极Ir的溶解（有30%）是MEA衰减的主要因素，降低操作电压是一个可行的路径，但降低电压会使电流密度降低，因此需要提高PEM-MEA性能！