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Comprehensive investigation of novel pore-graded gas diffusion layers for high-performance and costeffective proton exchange membrane electrolyzers

Lettenmeier, Philipp und Kolb, Svenja und Sata, Noriko und Fallisch, Arne und Zielke, Lukas und Thiele, Simon und Gago, Aldo Saul und Friedrich, K.-Andreas (2017) Comprehensive investigation of novel pore-graded gas diffusion layers for high-performance and costeffective proton exchange membrane electrolyzers. Energy and Environmental Science. Royal Chemical Society. doi: 10.1039/c7ee01240c. ISSN 1754-5692.

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Kurzfassung

Hydrogen produced by water electrolysis is a promising storage medium for renewable energy. Reducing the capital cost of proton exchange membrane (PEM) electrolyzers without losing efficiency is one of its most pressing challenges. Gas diffusion layers (GDL), such as felts, foams, meshes and sintered plates, are key stack components, but these are either inefficient or expensive. This study presents a new type of GDL produced via vacuum plasma spraying (VPS), which offers a large potential for cost reduction. With this technology, it is possible to introduce a gradient in the pore-size distribution along the thickness of the GDL by varying the plasma parameters and titanium powder particle sizes. This feature was confirmed by cross-section scanning electron microscopy (SEM). X-ray computed tomography (CT) and mercury intrusion porosimetry allowed determining the porosity, pore radii distribution, and pore entry distribution. Pore radii of ca. 10 mm could be achieved in the layers of the GDL close to the bipolar plate, while those in contact with the electrodes were in the range of 5 mm. The thermally sprayed Ti-GDLs allowed achieving PEM electrolyzer performances comparable to those of the state-of-the-art sintered plates and far superior than those of meshes. Moreover, a numerical model showed that the reduced capillary pressure and tortuosity eliminates mass transport limitations at 2 A cm-2. The results presented herein demonstrate a promising solution to reduce the cost of one of the most expensive components of the stack.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/116361/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Comprehensive investigation of novel pore-graded gas diffusion layers for high-performance and costeffective proton exchange membrane electrolyzers
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Lettenmeier, PhilippPhilipp.Lettenmeier (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2822-8440NICHT SPEZIFIZIERT
Kolb, SvenjaSvenja.Kolb (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sata, Norikonoriko.sata (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3103-2051NICHT SPEZIFIZIERT
Fallisch, ArneFraunhofer InstitutNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zielke, LukasInstitut für MikrosystemtechnikNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thiele, SimonSimon.Thiele (at) imtek.uni-freiburg.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gago, Aldo Saulaldo.gago (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7000-171XNICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, K.-Andreasandreas.friedrich (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:24 Juli 2017
Erschienen in:Energy and Environmental Science
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1039/c7ee01240c
Verlag:Royal Chemical Society
ISSN:1754-5692
Status:veröffentlicht
Stichwörter:degradation, PEM-electrolyzer, PEM-electrolysis system
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Speicher und vernetzte Infrastrukturen
HGF - Programmthema:Elektrolyse und Wasserstoff
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse (Elektrolyse) (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Stiber, Svenja
Hinterlegt am:15 Dez 2017 08:53
Letzte Änderung:08 Nov 2023 15:07

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