《Small Methods》：Towards High-Throughput Testing of Bipolar Plate Materials for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers: Correlative Contact Resistance and Stability Analysis
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双极板（Bipolar Plates, BPP）是用于绿色氢气生产的质子交换膜水电解器（Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer, PEMWE）中的主要成本驱动因素，需替换为更具成本效益的材料。然而，新型材料必须兼
双极板（Bipolar Plates, BPP）是用于绿色氢气生产的质子交换膜水电解器（Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer, PEMWE）中的主要成本驱动因素，需替换为更具成本效益的材料。然而，新型材料必须兼具高耐腐蚀性、低溶解速率和低界面接触电阻（Interfacial Contact Resistance, ICR）。本文中，研究人员介绍了一种关联工作流程，用于通过在线耦合至电感耦合等离子体光谱仪的扫描流动池（Scanning Flow Cell, SFC）测定电化学溶解行为，并利用一种新型的、样品直径为2 mm的微型化ICR装置测定ICR。研究人员以钛（Ti）为例展示了该装置的适用性，发现其ICR随所施加氧化电位的升高而增加。此外，对具有铂（Pt）厚度梯度的原始Ti片进行自动化ICR面扫描，揭示了当Pt层厚度超过约3.8 ± 1.4 nmPt时ICR显著降低，而更厚的Pt涂层（最高约80 nmPt）并未带来进一步改善。这些结果表明，超薄Pt涂层已能大幅降低钛基BPP材料的ICR。该装置能够实现材料库的高通量筛选，为开发具有低ICR和高电化学稳定性的优化PEMWE组件提供了有力工具。
### 论文解读：面向PEMWE双极板材料的高通量关联稳定性与接触电阻测试方法
#### 一、研究背景与问题
随着全球对气候变化问题的日益重视，脱化石燃料化进程迫切要求绿色氢气发挥核心作用。绿色氢气通过可再生能源驱动的水电解技术制取。在众多电解技术中，质子交换膜水电解（PEMWE）凭借其快速启停能力、宽部分负载范围以及高电流密度，被认为最适合与间歇性可再生能源集成。然而，PEMWE的高成本严重制约了其与化石燃料制氢的商业竞争力，根本原因在于其严苛的运行条件要求使用昂贵且耐腐蚀的材料，尤其是阳极侧。除铱基阳极催化剂外，双极板（BPP）是主要成本驱动因素，可占电堆成本的50%。BPP在电堆中承担分隔单电池、传导热量和电流以及提供机械支撑的功能，因此需要具备高耐腐蚀性、高电导率和热导率，并与相邻多孔传输层（PTL）保持低界面接触电阻（ICR）。目前钛（Ti）是标准材料，但通常需进一步涂覆贵金属以降低ICR。大量研究致力于用不锈钢等低成本替代材料取代Ti，然而阳极侧的强腐蚀环境使多数材料难以胜任，往往需要额外保护涂层。
BPP腐蚀会产生两种关键后果：一是材料溶解，溶解离子可能毒化催化剂活性位点、降低膜电导率或加速膜化学降解；二是表面（氧化物）层形成导致ICR升高，增加欧姆损耗，降低法拉第效率。因此，评估新型BPP材料必须同时考察其电化学溶解稳定性和ICR。此前研究人员已开发出将扫描流动池与电感耦合等离子体质谱联用（SFC-ICP-MS）的装置，可在离位电化学测试中在线表征材料的溶解稳定性。但SFC的有效面积很小（mm2量级），而常规ICR测试装置的最小面积约为0.6 cm2，两者难以匹配，阻碍了关联测试的实现。
#### 二、研究目标与创新点
为克服这一局限，研究人员开发了一种采样直径为2 mm的微型化ICR测量装置，并将其安装在可移动的xyz平台上，采用基于LabVIEW的自定义软件控制，实现了样品表面的快速自动化ICR面扫描。该配置能够将SFC-ICP-MS溶解测量与ICR变化关联起来，例如研究表面氧化对ICR的影响。同时，该装置还可用于研究涂层厚度效应，如Pt梯度涂覆的Ti样品。
#### 三、主要关键技术方法
研究采用的主要技术方法包括：微型化ICR测量装置（采样直径2 mm，样品夹持在两个气体扩散层之间，通过校准扣除系统电阻）；扫描流动池-电感耦合等离子体质谱联用（SFC-ICP-MS）在线溶解分析；以及自动化的ICR面扫描（可编程移动平台控制采样位置）。样本队列包括多种原始材料（Au、Pt、Ir、316L、Ti）以及具有Pt厚度梯度的Ti样品（约0–33 nmPt和约10–80 nmPt两种梯度范围），并采用X射线荧光（XRF）和透射电子显微镜（TEM）辅助表征Pt层厚度与覆盖度。
#### 四、研究结果与讨论
**1. 微型化ICR装置的校准与验证**
研究人员首先对装置进行校准，在Au涂层Cu板上256个点（16×16阵列，间距3 mm）获得高度稳定的校准值（平均值4.75 ± 0.02 mΩ·cm2），验证了长时间测量中气体扩散层的稳定性。进一步对多种原始材料进行49点扫描，发现Au、Pt、Ir等贵金属ICR值均较低，其中Au最低，Pt和Ir次之；316L和Ti的ICR值较高，且表面粗糙度对ICR有显著影响——表面越光滑，实际接触面积越小，ICR越高。此外，ICR随压实力的增加而降低，所用压力（约140 N·cm?2）与DOE对燃料电池离位BPP测试的规范相当，也在PEM电解槽常用压缩压力范围内。
**2. 关联SFC-ICP-MS与ICR测量**
研究人员将未抛光Ti在10 mM H?SO?中、60°C下于不同电位（1.4–2.6 V以上）氧化600 s，同时用SFC-ICP-MS在线监测溶解质量。结果表明，溶解的Ti质量随电位升高而增加，但高电位下波动增大；转移电荷Q也增加，但2.0 V以上趋于平台。溶解效率（DE）在1.4–1.8 V间相近，高于2.0 V后下降，这既与析氧反应竞争有关，也暗示更高电位下形成更致密的保护性氧化物层。随电位升高，测量点颜色变化更明显，进一步说明钝化加剧。
氧化后对同一测量点进行ICR测试，发现电位在1.4–1.8 V时ICR无显著增加；2–2.6 V电位下ICR增加约15–30 mΩ·cm2；高于2.6 V时ICR增加50–70 mΩ·cm2。这种电位依赖性归因于Ti氧化物层厚度随电位增加而增大，与文献报道一致。尽管低电位下单个点的ICR表现出一定散射，但总体趋势清晰，证明该装置能够灵敏检测电化学测试后的ICR变化，并能区分不同电位下的氧化程度。
**3. Pt厚度梯度对ICR的影响**
为了考察Pt涂层厚度对ICR的作用，研究人员在Ti上沉积了两种楔形Pt梯度：0–33 nmPt和10–80 nmPt。对0–33 nmPt样品的ICR扫描显示，在Pt层极薄端（约0 nm）ICR约为7–8 mΩ·cm2，低于未涂覆Ti的ICR，这可归因于沉积过程中Ti粘附层与天然TiO?层发生界面还原，生成亚化学计量TiOx，其导电性优于化学计量TiO?。随着Pt厚度增加，ICR迅速下降，在Pt层约3.8 ± 1.4 nmPt处达到稳定平台，ICR稳定在1.1 ± 0.3 mΩ·cm2。分段线性回归分析确定该转变厚度为3.8 ± 1.4 nmPt。对于10–80 nmPt的较厚梯度，ICR平均值为0.7 ± 0.2 mΩ·cm2，但沿楔形方向未检测到系统性下降，说明超过临界厚度后进一步增厚Pt并不能降低ICR。
理论计算表明，Pt表面覆盖率仅50%时就可大幅降低有效ICR。TEM分析显示在Si?N?基底上溅射4.7 nm Pt时表面覆盖率约85%，说明形成连续Pt层所需厚度依赖基底性质。结合ICR结果与理论分析，研究人员认为当前Ti表面上Pt厚度超过3.8 ± 1.4 nmPt时已达到高覆盖率，该结果与文献中TiO涂层316L上Pt层临界厚度5 nm的报道一致，也与Pt涂覆Ti多孔传输层（PTL）的研究趋势吻合。
#### 五、总结与展望
本文开发了一种关联溶解稳定性与ICR测试的微型化高通量工作流程。该装置能够检测样品表面局部的ICR变化，并与SFC-ICP-MS溶解数据关联。研究证实Ti的ICR增加与所施加氧化电位强相关，并在Pt梯度涂层Ti样品上揭示了超薄Pt层（约3.8 nmPt）即可大幅降低ICR，而更厚的Pt层（最高约80 nmPt）并无进一步增益。这一发现对降低PEMWE成本具有重要意义，因为贵金属用量可显著减少。
未来工作将利用该流程在不同电化学条件下测试不同厚度Pt层的溶解稳定性和ICR关联行为，以验证薄Pt层在阳极侧的耐久性。此外，该装置还可用于较大样品均匀腐蚀后的ICR面分布测绘，以探测局部腐蚀（如点蚀）导致的ICR不均匀性，甚至可研究电解槽运行后BPP通道与脊部之间的ICR空间差异。该工作流程为新型PEMWE材料的高通量关联稳定性与ICR筛选奠定了基础，有望加速低成本、高性能组件的开发。论文发表于《Small Methods》。
