本篇內容分析是在上一篇推文基礎上的追蹤溯源,詳情點擊:東芝:金屬Ir降低至1/10!
主要內容:傳統陽極Ir基粉末催化劑復合多孔電極PTL(表面鍍Pt),價格高昂。新型交替催化層結構(ACLS),由多個濺射沉積銥片和沒有Pt涂層的氣孔間隙組成。與粉末催化劑相比,ACLS電極在低銥負載下表現出較低的過電壓,在7000h內幾乎沒有電壓上升。
Introduction:與其他類型的水電解槽相比,PEM電解槽有幾個優點,使其非常適合間歇性可再生能源的運行。這些優點包括響應速度快、占地面積小、能夠產生比其他類型的電解槽更高的氣體壓力、以及抗啟停循環的高耐久性。若采用陽極傳統電極方案,1MW的PEM水電解需要1kg Ir,但Ir的年產能僅7t。
電極制備工藝:見圖1右側,造孔金屬源是制備關鍵,這方面信息暫時缺乏,歡迎評論區留言。個人推測該種金屬可與Ir合金化,又容易被刻蝕。
圖1 傳統電極與新型交替電極制備方案。
MEA制備與電化學測試:Pt/C陰極、Nafion 115 (127μm);80℃(給出的測試條件過少)
電極結構:0.2 mg-Ir/cm2,圖2(a)是PTL的Ti纖維。圖2(b)是多級IrO2-空氣有序排列的電極結構,依附于Ti纖維表面。圖2(b)是傳統電極,Ir分布不均勻(分散困難所致)。
圖2 SEM照片(a)ALCS陽極Ti纖維,(b)交替結構,(c)傳統粉末電極。
性能測試結果:文中稱ACLS 0.4 mg-Ir/cm2載量以下具有優勢(主要看2A/cm2下的電解電壓)。
圖3 不同Ir載量在2A/cm2下的電解電壓。
過電位分析:如圖4,活化極化都隨Ir載量降低增大,趨勢相近。但ACLS的優勢在于IrO2與空氣交替排列,傳質極化較小,Ir載量降低傳質極化增加不明顯。而傳統電極,Ir載量降低,二級孔結構也相對減少,傳質阻力增大。
圖4 ACLS與傳統電極過電位分析。
耐久性測試:7000h幾乎無衰減。(為何點不連續,是啟停?)
圖5 ACLS耐久性測試結果
備注:這種電極結構有點像燃料電池有序化催化層,但水電解不存在水淹問題,理論上該電極結構是具備傳質極化小與低成本優勢。同之前分析一樣,可否大批量生產,生產效率如何以及壽命需要進一步驗證。如果有關于造孔金屬的成分猜測,歡迎留言。(下方掃碼點個關注,可獲取及時推送)
原文始發于微信公眾號(氫能漫談):東芝:新型交替水電解電極