交流阻抗+遺傳演算法-AEM電解水失效分析

近來，陰離子交換膜電解水(AEMWE)因為使用非貴金屬催化劑，使用環境友好型無氟烴聚合物膜，受到非常廣泛的關注。

在此研究中，開創性的採用了EIS+Matlab 遺傳演算法，來識別和量化運行條件下的性能失效原因。使用這種方法，超越了傳統的等效電路模型，開發了弛豫時間分佈函數（DFRT）的適當分析模型，從而能夠更深入地分析法拉第和非法拉第過程。可用於分離不同條件下的歐姆阻抗，離子傳輸，電荷轉移，如不同KOH濃度，陰極乾涸狀態，和不同的陽極電解液...等。如KOH, K2CO3和純水等, 不同溫度和不同類型膜等。結果顯示陽極KOH濃度下降導致性能下降，是因為較高的離子傳輸阻抗，也顯示，由於陽極有足夠的水反向擴散，有效地保持了陰極水合作用，因此在陽極中使用KOH乾陰極操作的性能與雙面電解法相當。相反，在具有乾陰極的陽極中使用純水作為電解質會顯著增加電解槽電阻並損害離子傳輸，這突顯了對高導電離聚物材料和策略的迫切需求。這同時也表明，使用DFRT通過分離和關聯電化學現象來評估AEMWE的運行，可以簡化系統設計，同時更有效地產生乾燥、純氫氣，並將技術推向商業應用。

Fig 1. (a)AEMWE 電解槽結構
(b)向陰陽極同時供應電解液
(c)僅向陽極供應電解液(乾陰極操作)
(d)不同條件下AEMWE系統特性的實驗協定

Fig 2. (a)AEMWE電解池極化曲線不同KOH濃度(1,0.5,0.1和0.0M(純水))
(b)1.8 V阻抗曲線 (c)DFRT歸一化曲線 DFRT
(d)不同濃度曲線計算阻抗值

Fig 3. (a)不同溫度下(50 °C−80 °C) 1 M KOH 陰極和陽極
(b)1.8 V偏置下交流阻抗曲線
(c)歸一化DFRT曲線(d)不同操作溫度

Fig 4. (a)AEMWE極化曲線不同操作溫度(50°C−70°C)1 M KOH電解液
(b)2V下的能奎斯特曲線
(c)歸一化 DFRT 曲線
(d)不同操作溫度下計算得到的阻抗曲線

Fig 5. (a) 80℃下AEMWE電解池極化曲線不同電解液
(b)1.8V下的能奎斯特曲線
(c)DFRT 歸一化處理
(d)由峰形計算阻抗值

本研究策略可以成功識別和量化AEMWE在工況運行條件下的性能損失，不同溫度下的，超越傳統的等效電路模型。這些發現對於理解和優化AEMWE技術前進了一大步。  進一步研究AEMWE長時間運行狀態下性能損失的根源，對於提升AEMWE的耐久性至關重要，尤其是實際的產氫應用。

本研究全面評估了AEMWE的性能，操作的參數，包括電解池溫度，電解液成份，電解液供給模式的影響， 通過創新性的將EIS 和遺傳演算法識別(ISGP)結合，揭示出四個類型的阻抗占主導，1） 歐姆阻抗，2）離子傳輸，3)電荷轉移，4)傳質阻抗。
測試結果也表明，1) AEMWE性能下降，1M KOH到純水，離子傳輸阻抗增大，純水的阻抗比1M KOH高約兩個數量級，2)增加操作溫度，AEMWE性能提升，升高溫度後歐姆阻抗，傳荷和傳質阻抗均降低，也符合阿倫尼烏斯方程。另外，觀察到乾陰極，陽極通入KOH，可以維持陰極可以維護通過水反擴散有效地進行陰極水合，提供與含KOH的AEMWE相當的性能供應給雙方。
相反，使用純水作為乾陰極陽極中的電解質顯著增加電池電阻，最關鍵的是降低了離子傳輸。這些結果強調了迫切需要在純水系統中使用高導電材料，以及探索其他策略，例如提高整體電池性能。繼續探索幹陰極操作和通過以下方式，將純水送入陽極進行水管理識別和量化單元內的損失源對於提高AEMWE性能和運營至關重要簡單。
 

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