Electrode engineering for anion-exchange membrane water electrolyzers

Abstract: Green hydrogen is going to play an essential part in the world’s zero-carbon future. It can be produced via water electrolysis using an anion-exchange membrane as solid electrolyte in an alkaline environment. This promises the utilization of catalysts based on earthabundant raw materials instead of the scarce and expensive iridium necessary in acidic environments. Simultaneously, it would allow efficient operation at high current densities and low voltages in contrast to traditional alkaline water electrolyzers. In this thesis, electrodes – or catalyst layers – for anion-exchange membrane water electrolyzers are developed, studied and optimized. As a benchmark, the scarce and expensive raw material catalysts iridium oxide and platinum are used. This allows the establishment of a baseline for the fabrication and understanding of catalyst layers for anion-exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs).
• The effect of ionomer content inside the catalyst layers of water electrolyzers based on novel, commercially available Aemion+™ ionomer and membrane is studied. An ideal ionomer content of 7 wt% is identified for operation in 0.1 M KOH to provide the highest performance of 1.8 V at 600 mA/cm², while maintaining relatively low degradation of below 10 mV/h. A variation of electrolyte concentration was performed in the range of < 0.001 M KOH to 1 M KOH showing a significant drop-off for very low concentrations and a small increase for higher concentrations.
• The water management inside catalyst-coated membranes (CCMs) operated with a dry cathode is studied utilizing high-resolution neutron imaging. By using this operation mode, liquid supporting electrolyte is only fed to the anode side of the electrolyzer. This is applied in industrial electrolyzers to increase the purity of the extracted hydrogen and avoid a pH imbalance between the anolyte and catholyte. Since the ionic transport and durability of the anion-exchange ionomers significantly depend on their water content, the management of water across the cell is identified as the biggest challenge resulting in lower performance at high current densities than a liquid-fed cathode cell. In-operando neutron imaging revealed a dry-out from the cathode side. This was mitigated in the lower current density range by employing a cathode catalyst layer ionomer with an increased ion-exchange capacity and thus higher water retention.
• Direct coating of catalyst layers onto membranes is applied to anion-exchange membrane water electrolyzers by employing a novel stabilization technique using an adhesive foil. The resulting cell performance of 1.8 V at 1 A/cm² is comparable to spray coated CCMs in 0.1 M KOH. Thus, this scalable and rapid deposition method is a viable alternative to the standard laboratory-scale technique. A fully selfcoated catalyst-coated membrane with low membrane thickness of 35 μm achieved promising performance of 1.8 V at 2 A/cm² in 1 M KOH. A low degradation rate of ≈1 mV/h is observed in 60 h test at an applied constant current density of 1 mA/cm² after a stabilization period is completed
Abstract: Grüner Wasserstoff wird eine wesentliche Rolle in der nachhaltigen Wirtschaft der Zukunft spielen. Er kann durch Wasserelektrolyse unter Verwendung einer Anionenaustauschermembran als Feststoffelektrolyt in einer alkalischen Umgebung hergestellt werden. Diese Methode erlaubt die Verwendung von Katalysatoren auf der Basis von Rohstoffen, die auf der Erde reichlich vorhanden sind. In sauren Umgebungen muss hingegen das knappe und teure Iridium verwendet werden. Zugleich ist der Betrieb bei hohen Stromdichten und niedrigen Spannungen möglich, der mit traditionellen alkalischen Wasserelektrolyseuren bisher nicht möglich ist. In dieser Arbeit werden Elektroden – oder Katalysatorschichten – für Anionenaustauschermembran-Wasserelektrolyseure entwickelt, untersucht und optimiert. Dabei werden die seltenen und teuren Katalysatoren Iridiumoxid und Platin auf Kohlenstoff verwendet, da sie kommerziell verfügbar sind. Dies dient als Basis für zukünftige Entwicklungen und Arbeiten.
• Der Ionomergehalt in den Katalysatorschichten von Wasserelektrolyseuren, die auf neuartigen, kommerziell erhältlichen Aemion+™-Ionomeren und -Membranen basieren, wurde variiert und sein Einfluss untersucht. Ein idealer Ionomergehalt von 7 Gewichtsprozent wurde für den Betrieb in 0.1 M KOH ermittelt, um die niedrigste Spannung von 1.8 V bei 600 mA/cm² zu erzielen und gleichzeitig eine relativ geringe Degradation von unter 10 mV/h zu erreichen. Eine Variation der Elektrolytkonzentration wurde im Bereich von < 0.001 M KOH bis 1 M KOH durchgeführt, wobei ein signifikanter Abfall der Effizienz bei sehr niedrigen Konzentrationen und ein geringer Anstieg bei höheren Konzentrationen festgestellt wurde.
• Das Wassermanagement in katalysatorbeschichteten Membranen, die mit einer trocken betriebenen Kathode laufen, wird mit Hilfe hochauflösender Neutronenbilder untersucht. Bei dieser Betriebsart wird der flüssige Elektrolyt auf Wasserbasis nur auf der Anodenseite des Elektrolyseurs zugeführt, was industriell genutzt wird, um die Reinheit des gewonnenen Wasserstoffs zu erhöhen und ein pH-Ungleichgewicht zwischen Anolyt und Katholyt zu vermeiden. Da der Ionentransport und die Stabilität der Anionenaustauscherpolymere in hohem Maße von ihrem Wassergehalt abhängen, stellt das Wassermanagement in der Zelle die größte Herausforderung dar. Es führt zu einer geringeren Effizienz bei hohen Stromdichten als bei einer beidseitig flüssigkeitsgespeisten Zelle. Die In Operando-Neutronenbilder zeigen eine Austrocknung auf der Kathodenseite, die im unteren Stromdichtebereich durch den Einsatz eines Kathoden-Katalysatorschicht Ionomers mit erhöhter Ionenaustauschkapazität und somit höherer Wasserrückhaltung abgemildert werden konnte.
• Die direkte Katalysatorbeschichtung von Membranen wird auf Anionenaustauschermembran-Wasserelektrolyseure angewendet, indem eine neuartige Stabilisierungstechnik mit einer Klebefolie eingesetzt wird. Die resultierende Zellspannung von 1.8 V bei 1 A/cm² ist vergleichbar mit sprühbeschichteten Zellen in 0.1 M KOH und somit ist diese skalierbare und schnelle Abscheidungsmethode eine praktikable Alternative zur Standardtechnik im Labormaßstab. Eine vollständig selbst hergestellte katalysatorbeschichtete Membran mit einer geringen Membrandicke von 35 μm erreichte eine vielversprechende Spannung von 1.8 V bei 2 mA/cm² in 1 M KOH. Bei 60 h-Tests bei angelegten 1 A/cm² wurde, nach einer Stabilisierungszeit, eine niedrige Degradationsrate von ≈1 mV/h festgestellt

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Wasser ; Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle ; Elektrolyse ; Anionenaustauscher ; Wasserstoff

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Koch, Susanne
• Beteiligte Personen und Organisationen: Vierrath, Severin ; Vierrath, Severin ; Glunz, Stefan ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Mikrosystemtechnik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Professur für Anwendungsentwicklung ; Hahn-Schickard-Institut für Mikroanalysesysteme ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/234205
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2342058
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:49 MEZ