IEA AFC Annex 31: A Review of Accelerated Stress Tests for Enhancing MEA Durability in PEM Water Electrolysis Cells (2023)

In dieser Übersicht werden die verschiedenen beschleunigten Stressfaktoren für die Hauptkomponenten der MEA erörtert und die jüngsten Veröffentlichungen von beschleunigten Stresstests (ASTs) bei der Untersuchung der Lebensdauer von PEMWE-Zellen zusammengefasst. Darüber hinaus wird ein kurzer Überblick über die Degradationsmechanismen für die einzelnen MEA-Komponenten gegeben, die in den jüngsten Veröffentlichungen beschrieben wurden. Die verschiedenen Aspekte, die in dieser Übersicht identifiziert wurden, dienen als Roadmap, um die Lebensdauer neuartiger Stackmaterialien weiter zu verbessern.

Bibliographische Daten

Eveline Kuhnert, Viktor Hacker und Merit Bodner
Herausgeber: International Journal of Energy, 2023
Englisch, 23 Seiten

Inhaltsbeschreibung

Die Nafion™-Membran stellt eine Kernkomponente der MEA dar. Das Versagen der Membran wird hauptsächlich durch unerwünschte Betriebsbedingungen wie hohe Temperaturen, OCV und mechanische Belastung beschleunigt und führt zu Dickenänderungen (Membranausdünnung) und der Bildung von Defekten (z. B. Risse oder Perforationen).

Die harschen Betriebsbedingungen, insbesondere auf der anodischen Seite der PEMWE, beschränken die Auswahl der Elektrokatalysatoren auf eine kleine Anzahl von Edelmetallverbindungen. Für monometallische Katalysatoren bei der OER wurde ein Zusammenhang zwischen Aktivität und Stabilität festgestellt, bei dem die aktivsten Oxide (Au ≪ Pt < Ir < Ru ≪ Os) die geringste Stabilität aufweisen (Au ≫ Pt > Ir > Ru ≫ Os).

Daher sind die beliebtesten Materialien, die derzeit für die OER in kommerziellen Anoden verwendet werden, Elektrokatalysatoren auf Ir- und Ru-Basis. Für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), die auf der Kathodenseite der PEMWE stattfindet, gilt kohlenstoffgestütztes Platin (Pt/C) als das modernste Material.

In diesem Dokument werden verschiedene AST-Protokolle in der PEMWE-Technologie mit Schwerpunkt auf der Membran-Elektroden-Einheit überprüft und zusammengefasst. Die komponentenspezifischen Belastungsfaktoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen werden für die PFSA-Membran, die Katalysatorschichten und die GDL (gas diffusion layer) bzw. PTL (porous transport layer) skizziert.

Was die Materialverschlechterung in der Forschung zum Katalysatorabbau betrifft, so liegt der Schwerpunkt derzeit auf der Auflösung des Ir-Katalysators während der OER, während auf der Kathodenseite Pt/C-Korrosion ein wichtiges Thema ist, insbesondere während des dynamischen Betriebs der PEMWE.

Die PFSA-Membran und das Ionomer zersetzen sich, wenn der Elektrolyseur bei erhöhten Temperaturen und bei OCV arbeitet. Bei der PTL auf Ti-Basis sind Oberflächenkorrosion und Passivierung ein Problem. Dies wird durch den Betrieb des PEMWE mit hoher Stromdichte ausgelöst, und sobald sich ein passiver Film auf der Oberfläche gebildet hat, steigt der Kontaktwiderstand und die Leistung nimmt ab.

A Review of Accelerated Stress Tests for Enhancing MEA Durability in PEM Water Electrolysis Cells