质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230262

摘要/Abstract

摘要：

气体扩散层在质子交换膜（PEM）水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。 PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境，对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料，简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响，分析了各种镀层材料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应（OER）性能方面的作用。最后，展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。

关键词: 质子交换膜水电解池, 阳极气体扩散层, 多孔钛, 镀层材料

Abstract:

In the proton exchange membrane （PEM） electrolysis cell， the gas diffusion layers play an important role in supporting the membrane components， supplying water for the reaction， removing gas bubbles from catalyst layers， and decreasing the electronic resistance. The anode at the PEM electrolysis cell works in an acidic， oxygen-rich， and high-potential environment. Therefore， a cell with excellent electrochemical performance requires a gas diffusion layer with a suitable structure and high corrosion resistance. This review categorizes the anodic titanium-based gas diffusion layers used in the PEM electrolysis cell， and briefly describes the way their structural characteristics affect the electrochemical performance of the cell. In addition， this review discusses how various coating materials improve the electrical conductivity and corrosion resistance of the gas diffusion layer and the performance of the oxygen evolution reaction in the cell. Finally， a perspective on future high-performance cells with low-cost gas diffusion layers is proposed.

Key words: Proton exchange membrane electrolysis cell, Anode gas diffusion layers, Structural characteristics, Coating materials

中图分类号:

O646

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图/表 8

图1 PEM电解池的工作原理图和阳极的气、液、固三相界面反应区示意图

Fig.1 Principle diagram of PEM electrolytic cell and schematic diagram of the interface between gas diffusion layer and membrane electrode

图2 （a）多孔钛粉烧结毡、（b）钛纤维烧结毡、（c）多孔钛箔和（d）泡沫钛的结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of （a） porous titanium powder sintered felt，（b） titanium fiber sintered felt，（c） porous titanium foil and （d） metal foam

图3 气体扩散层与膜电极界面示意图［34］SL： support layer； MPL： mesoporous layer； CL： catalytic layer； MEM： mass exchange membrane

Fig.3 Schematic diagram of the interface between gas diffusion layer and membrane electrode［34］

表1 各种多孔钛材料的结构参数

Table 1 Structural parameters of various porous titanium materials

Type	Raw material	Raw material diameter/μm	Porosity ratio/%	Pore diameter/μm	Thickness/μm	Ref.
Titanium powder sintered felt	Ordinary titanium powder	/	10~33	/	253~526	［19］
		75~100	35~40	11~25	1 200~1 400	［31］
		380~520	/	100	1 000	［31］
		100~200	34.3	16	1 300	［32］
		330~780	32.7	60	1 200	［32］
		20	50~70	10~35	200/300	［37］
	Hydrogenated dehydrogenation titanium powder	/	10~55	/	246~515	［19］
		/	54	/	513	［21］
		40	28	8	800	［31］
Titanium fiber sintered felt	Titanium fiber	/	53	/	1 000	［21］
		20	75	50	300	［29］
		80	75	180	300
		20	50	28	300
		/	75	/	300	［30］
		20	50	12.7	350/500/1 000	［36］
Porous titanium foil	Titanium foil	/	/	1~25	50.8	［3］

图4 稳定性测试和极化测试结果：（a） Au、Ir和Pt作为镀层材料和未镀层钛毡运行4000 h的电压变化情况；（b） Au、Ir和Pt作为镀层材料的钛毡运行4000 h后的极化曲线［43］

Fig.4 The results of stability test and polarization test：（a） The voltage change of Au， Ir and Pt as coating materials and uncoated titanium felt after 4000 h operation；（b） The polarization curve of titanium felt with Au， Ir and Pt as coating material after 4000 h operation［43］

图5 接触电阻和极化曲线测试结果图：（a）未涂层的气体传输层和涂层Ir质量为0.005、0.013、0.025和0.05 mg/cm2的气体传输层的接触电阻；（b）未涂层的气体传输层和涂层Ir质量为0.005、0.013、0.025和0.05 mg/cm2的气体传输层的极化曲线［47］

Fig.5 Test results of contact resistance and polarization curves：（a） Contact resistance of uncoated gas transport layer and coated gas transport layer with Ir mass of 0.005， 0.013， 0.025 and 0.025 mg/cm2；（b） Polarization curve of uncoated gas transport layer and coated gas transport layer with Ir mass of 0.005， 0.013， 0.025 and 0.05 mg/cm2［47］

表2 文献中各种镀层处理气体扩散层电化学性能

Table 2 Electrochemical energy table of gas diffusion layer treated by various coatings in literature

Coating	Contact resistance	Load capacity	Electrolytic performance	Stability	Ref.
IrO₂	/	1.0 mg/cm²	0.36 A/cm²@1.60 V	53 h@1.52 A/cm²	［55］
IrO₂	/	0.60 mg/cm²	2.72 A/cm²@2.0 V	/	［46］
Ir	11.5 mΩ·cm²@0.5 MPa	0.10 mg/cm²	2.0 A/ cm²@1.86 V	/	［42］
	4.0 mΩ·cm²@3 MPa	0.10 mg/cm²	2.38 A/cm²@1.90 V	4 000 h@2.0 V	［43］
	3.1 mΩ·cm²@3 MPa	0.025 mg/cm²	1.0 A/cm²@1.70 V	/	［47］
Pt	6.0 mΩ·cm²@3 MPa	0.16 mg/cm²	2.4 A/cm²@1.90 V	4 000 h@2.0 V	［43］
Pt	/	200 nm （thickness）	2.82 A/cm²@2.0 V	1 100 h@2.0 A/cm²	［50］
Au	2.0 mΩ·cm²@3 MPa	0.18 mg/cm²	2.35 A/cm²@1.90 V	2 000 h@2.0 V	［43］
Au	/	180 nm （thickness）	2.0 A/cm² @1.63 V	100 h@0.2 A/cm²	［22］
Ir_0.7Ru_0.3O₂	6.5 mΩ·cm²@2 MPa	1.0 mg/cm²	1.84 V@2.0 A/cm²	/	［51］
IrO₂?RuO₂?TaO _x	/	1.0 mg （Ir+Ru）/cm²	1.84 V@2.0 A/cm²	/	［52］
STN?RuTi	/	STN （thickness）99 nm	/	225 h@0.10A/cm²	［53］
NbN_500_60	/	1.0 μm （thickness）	/	/	［54］

表3 各种涂层材料性能对比

Table 3 Comparison table of properties of various coating materials

Coating material	Electrical conductivity	Corrosion resistance	OER catalytic performance
Ir/IrO₂	++	+++	+++
Pt	++	+++	+
Au	+++	+	-
RuO₂	-	-	+++
Other metallic materials	+	+	-

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