交流阻抗+遗传算法 识别和量化工况下-AEM电解水失效分析

近来，阴离子交换膜电解水(AEMWE)因为使用非贵金属催化剂，使用环境友好型无氟烃聚合物膜，受到非常广泛的关注。

在此研究中，开创性的采用了EIS+Matlab 遗传算法，来识别和量化工况运行条件下的性能失效的原因。通过此方法，使用这种方法，超越了传统的等效电路模型，开发了弛豫时间分布函数（DFRT）的适当分析模型，从而能够更深入地分析法拉第和非法拉第过程。可用于分离不同条件下的欧姆阻抗，离子传输，电荷转移，如不同KOH浓度，阴极干涸状态，不同的阳极电解液等如KOH, K2CO3和纯水等, 不同温度和不同类型膜等。结果显示阳极KOH浓度下降导致性能下降由，因为较高的离子传输阻抗，也显示，由于阳极有足够的水反向扩散，有效地保持了阴极水合作用，因此在阳极中使用KOH的干阴极操作的性能与双面电解法相当。相反，在具有干阴极的阳极中使用纯水作为电解质会显著增加电解槽电阻并损害离子传输，这突显了对高导电离聚物材料和策略的迫切需求。这同时也表明，使用DFRT通过分离和关联电化学现象来评估AEMWE的运行，可以简化系统设计，同时更有效地产生干燥、纯氢气，并将技术推向商业应用。

Fig 1. (a)AEMWE 电解槽结构

(b)向阴阳极同时供应电解液

(c)仅向阳极供应电解液(干阴极操作)

(d)不同条件下AEMWE系统特性的实验协议

Fig 2. (a)AEMWE电解池极化曲线不同KOH浓度(1,0.5,0.1和0.0M(纯水))

(b)1.8 V阻抗曲线 (c)DFRT归一化曲线 DFRT

(d)不同浓度曲线计算阻抗值

Fig 3. (a)不同温度下(50 °C−80 °C) 1 M KOH 阴极和阳极

(b)1.8 V偏置下交流阻抗曲线

(c)归一化DFRT曲线(d)不同操作温度

Fig 4. (a)AEMWE极化曲线不同操作温度(50°C−70°C)1 M KOH电解液

(b)2V下的能奎斯特曲线

(c)归一化 DFRT 曲线

(d)不同操作温度下计算得到的阻抗曲线 

Fig 5. (a) 80℃下AEMWE电解池极化曲线

不同电解液

(b)1.8V下的能奎斯特曲线

(c)DFRT 归一化处理

(d)由峰形计算阻抗值

本研究策略可以成功识别和量化AEMWE在工况运行条件下的性能损失，不同温度下的，超越传统的等效电路模型。这些发现对于理解和优化AEMWE技术前进了一大步。  进一步研究AEMWE长时间运行状态下性能损失的根源，对于提升AEMWE的耐久性至关重要，尤其是实际的产氢应用。

结 论

本研究全面评估了AEMWE的性能，操作的参数，包括电解池温度，电解液成份，电解液供给模式的影响， 通过创新性的将EIS 和遗传算法识别(ISGP)结合，揭示出四个类型的阻抗占主导，1） 欧姆阻抗，2）离子传输，3)电荷转移，4)传质阻抗。

测试结果也表明，1) AEMWE性能下降，1M KOH到纯水，离子传输阻抗增大，纯水的阻抗比1M KOH高约两个数量级，2)增加操作温度，AEMWE性能提升，升高温度后欧姆阻抗，传荷和传质阻抗均降低，也符合阿伦尼乌斯方程。另外，观察到干阴极，阳极通入KOH，可以维持阴极可以维护通过水反扩散有效地进行阴极水合，提供与含KOH的AEMWE相当的性能供应给双方。

相反，使用纯水作为干阴极阳极中的电解质显著增加电池电阻，最关键的是降低了离子传输。这些结果强调了迫切需要在纯水系统中使用高导电材料，以及探索其他策略，例如提高整体电池性能。继续探索干阴极操作和通过以下方式，将纯水送入阳极进行水管理识别和量化单元内的损失源对于提高AEMWE性能和运营至关重要简单。

随着电解槽性能的快速发展，已经接近6-8A/cm2电流密度 ，对电化学测试设备，尤其是大电流电解工况下的同步交流阻抗测试提出了新的挑战。

• 大电流(100-200A)
• 交直流一体化
• 高精度及可靠性

输力强 9300R SA

大电流交直流一体化测试系统

参考文献

1. https://doi.org/10.1021/acselectrochem.4c00156

ACS Electrochem. XXXX, XXX, XXX−XXX

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