Electrolyzer Performance Loss from Accelerated Stress Tests and Corresponding Changes to Catalyst Layers and Interfaces

阳极 材料科学 欧姆接触 电解 催化作用 质子交换膜燃料电池 极化(电化学) 复合材料 化学工程 化学 电极 图层(电子) 电解质 生物化学 工程类 物理化学
作者
Shaun M Alia,Kimberly S. Reeves,Haoran Yu,Jae Hyung Park,Nancy N. Kariuki,A. Jeremy Kropf,Deborah J. Myers,David A. Cullen
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:169 (5): 054517-054517 被引量:26
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac697e
摘要

Stress tests are developed for proton exchange membrane electrolyzers that utilize low catalyst loading, elevated potential, and frequent cycling with square- and triangle-waves to accelerate anode catalyst layer degradation during intermittent operation. Kinetics drive performance losses (ohmic/transport secondary) and are accompanied by decreasing exchange current density, decreasing cyclic voltammetric capacitance, and increasing polarization resistance. Decreased kinetics are likely due to a combination of iridium (Ir) migration into electrochemically inaccessible locations in the anode or membrane, Ir particle growth (supported by X-ray scattering), changes in the extent of the Ir oxidation state (supported by X-ray absorption spectroscopy), and anode catalyst layer reordering. Decreasing catalyst/transport layer contact and catalyst/membrane interfacial tearing may add contact resistances and account for increasing ohmic losses. Performance losses for low and moderate catalyst loading, as well as from accelerated and model wind/solar cycling protocols, were likewise dominated by kinetics but vary in severity. Accelerated cycling (1 cycle per minute) appears to reasonably accelerate relevant loss mechanisms and can be used to project electrolyzer lifetime from anode deterioration. Ongoing accelerated stress test development and studies into performance loss mechanisms will continue to be critical as electrolysis shifts to intermittent power and low-cost applications.
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