產品應用・用途
ApplicationPEM水電解裝置的EIS診斷
概要
為了實現永續社會，作為不排出二氧化碳的綠色能源「氫能」的活用正備受矚目。預測將來氫能的需求也會增加，隨之而來氫能的產能也將會擴大。但，以往的氫能製造手段，主要都會經由碳、天然瓦斯、石油等化學燃料，會衍生出二氧化碳等副產物。為了減少二氧化碳排放，正在努力透過太陽能發電、風力發電等可再生能源進行氫能的生產，尤其是將水使用電解的方式生產的氫能，正是實現氫能社會的關鍵。
水的電氣分解(以下稱為水電解)的方式之一是使用質子交換膜技術的固態高分子電解槽（PEMEC）進行水電解。此技術因具備高能量效率與大量製氫能力，適合利用再生能源製氫，因此作為大規模製氫方法正逐漸受到關注。為了進一步擴大利用，PEMEC電池的尺寸大型化已成為需求，而大型化也意味著會有大電流通過。以往的測量方法雖可分析研究階段的小型電池，但對於有大電流流動的大型PEMEC，其測量與分析的難度則大幅提高。
為了解決此課題，推出了「EIS測量系統 ALDAS」。此測量設備運用過去被認為難以實現的電化學阻抗分光法（EIS）技術，成功達成大型水電解電池的內部電阻測量。
本文將介紹如何透過EIS測量，高效率地評估電池狀態的方法。
課題
為了提升水電解電芯(EC)的性能，並延長其壽命，了解電芯內部所發生的性能劣化相當重要。如圖一所顯示，使用I-V曲線經由過電壓來評價電解電芯的性能是一般的方法，但遺憾的是，使I-V曲線無法完全掌握水電解電芯內部為何發生過電壓的原因。所以，為把握過電壓產生的原因，需要透過分離電解電芯的內部電阻成分並分析的測量手法。
圖一、I-V曲線
解決方案
為了計算阻抗的EIS測量，主要是在電芯電極施加交流電流訊號，並測量其響應電壓。
EIS測量提供電極的構造與反應過程的重要觀察。這包含了觸媒的性能與電極和各構成零件間的電氣的接觸流暢程度。因此，透過使用EIS測量方法，可以將水電解電池內部不同的電阻成分與反應分離並進行分析。
ALDAS是一套可廣泛應用的EIS測量系統，從研究等級的小型電解電池到電解裝置中的大型電解電池皆可對應。無論電解電池尺寸大小，都能實現高精度的EIS測量，提供嶄新的評估技術。
實驗條件
以下為樣本實驗條件。準備了兩種陽極催化劑負載量不同的CCM（催化劑塗佈膜），並使用ALDAS對電解電池內的CCM性能進行測試。
| 項目 | 條件 |
| 觸媒負載量-Type-A | 陽極：IrO₂–TiO₂ 1.06 mg/cm² 陰極：Pt/C Pt-50% |
| 觸媒負載量-Type-B | 陽極：IrO₂–TiO₂ 2.05 mg/cm² 陰極：Pt/C Pt-50% |
| 水流量 |
50 ml/min |
|
電池溫度 |
60°C |
| 電極面積 | 25 cm² |
圖二、測量系統的概略圖
結果
圖三、等效迴路
圖三使用等效迴路顯示電芯內部構造的分析參考。
Rsol：電解質膜的質子傳導性所導致的膜電阻
Rct：觸媒層的電荷移動電阻
Cdl：電氣雙重層電容
Rmt與Cmt：物質移動(物質擴散)過程所導致的電阻或電容
I-V測量的比較
圖四顯示了觸媒負載量較少的 Type-A，與負載量較多的Type-B的I-V曲線。由這個結果來看，觸媒負載量較多的Type-B比負載量較少的Type-A相比，過電壓損失更少。負載量較少的Type-A在電解電流超過35A的高輸入電流範圍時，電壓測量值會大幅上升。但僅由I-V曲線來看無法特定電阻成分的種類。
圖四、I-V曲線
EIS測量的比較
進行EIS測量，可以確認I-V曲線無法看出的電阻成分。圖五~圖七，分別為10A、25A、40A，電解中進行EIS測量，並描繪出Cole-Cole Plot圖。
圖五，可看見Type-B僅劃出一個圓弧，這是電荷轉移電阻(Rct)所構成。另一方面，Type-A在高頻側出現一個由電荷轉移電阻(Rct)描繪的圓弧，而在低頻側又因擴散電阻(Rmt)描繪出第二個圓弧。儘管Type-A與Type-B流通相同密度的電流，但結果顯示負載量較高的 Type-B 其質子傳導膜電阻較小。因此，Type-B 的曲線相較於 Type-A 的曲線向左偏移。
圖五、10A的電解中EIS測量結果
圖六則是在電解電流為25A的條件下繪製的Cole-Cole Plot圖。與圖五電解電流為10A時相比，在25A的條件下，Type-A的擴散電阻(Rmt)大幅增加。雖然擴散電阻會隨著供電電流的增加而變大，其原因可歸納為筆面活性部分減少等因素。
圖六、25A電解中的EIS測量結果
而圖七的部分則是使用40A的電解電流進行測量的結果。在10A與25A時Type-B並未顯示出擴散電阻引起的圓弧，但在40A時開始出現。即使如此，仍然可以看出Type-B的擴散電阻大小仍然比Type-A少。
由此可知，Type-A的整體電阻增加，也反應在圖四的I-V曲線中。高電流密度意味著觸媒表面對反應物的需求極高。當此需求無法透過反應物擴散至觸媒表面來滿足時，擴散電阻在高電流密度下會變得非常顯著。
圖七、40A電解中的EIS測量結果
結論
依據這個測量結果，觸媒負載量的厚度會對觸媒層內的物質運輸機構造成影響，也會對擴散電阻(Rmt)造成極大的影響。有較厚的觸媒層的Type-B由於電解質膜內的含水量較多，因此膜電阻較低，與觸媒負載量較少的 Type-A 相比，其擴散電阻被確認為處於可忽略不計的程度。這顯示較厚的陽極觸媒層為電解質膜與觸媒層之間的界面提供了充足的水分供應。 觸媒層會隨著電解槽的長期運行而劣化。透過使用 EIS（電化學阻抗分光法) 測量，可以經由內部電阻分析來評估觸媒層的品質。 EIS 測量能提供在 I-V 曲線中無法達成的特定材料選擇之性能劣化因素分析，進而對高效的研究開發做出貢獻。
總結來說，EIS測量系統ALDAS 提供了一個突破性的解決方案，實現了以往被認為不可能達成的——利用電化學阻抗分光技術進行大規模水電解槽的內部電阻測量。
