Spatially graded porous transport layers for gas evolving electrochemical energy conversion: High performance polymer electrolyte membrane electrolyzers

Lee, Jason K. und Lee, ChungHyuk und Fahy, Kieran F. und Kim, Pascal K. und LaManna, Jacob M. und Baltic, Elias und Jacobson, David L. und Hussey, Daniel S. und Stiber, Svenja und Gago, Aldo S. und Friedrich, Kaspar A. und Bazylak, Aimy (2020) Spatially graded porous transport layers for gas evolving electrochemical energy conversion: High performance polymer electrolyte membrane electrolyzers. Energy Conversion and Management, 226, Seite 113545. Elsevier. doi: 10.1016/j.enconman.2020.113545. ISSN 0196-8904.

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Kurzfassung

Decarbonizing society’s energy infrastructure is foundational for a sustainable future and can be realized by harnessing renewable energy for clean hydrogen and on-demand power with fuel cells. Here, we elucidate how graded porous transport layers (PTLs) are instrumental for high performance gas evolving electrochemical energy conversion devices, with an emphasis on polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzers. Spatially graded PTLs fabricated by vacuum plasma spraying are examined via in operando neutron imaging, electrochemical characterization, and pore network modelling. The results reveal the staggering benefits of positioning the lower porosity region adjacent to the catalyst layer and the higher porosity region adjacent to the flow field, which lead to current densities up to 4.5 A/cm2 with a 29 % reduction in cell potential, 38 % reduction in mass transport overpotential, and 50 % reduction in PTL gas saturation. The liquid water permeability of the PTL also enhances by an order of magnitude, with a drastic reduction in gas saturation adjacent to the catalyst layer. Custom graded PTLs have the potential to transform performance levels for a broad array of gas evolving electrochemical energy conversion devices.

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Dokumentart:

Zeitschriftenbeitrag

Titel:

Spatially graded porous transport layers for gas evolving electrochemical energy conversion: High performance polymer electrolyte membrane electrolyzers

Autoren:

Autoren	Institution oder E-Mail-Adresse	Autoren-ORCID-iD	ORCID Put Code
Lee, Jason K.	Thermofluids for Energy and Advanced Material Laboratory, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Institute for Sustainable Energy, Faculty of Applied Science and Engineering, University of Toronto, Toronto	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Lee, ChungHyuk	Thermofluids for Energy and Advanced Material Laboratory, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Institute for Sustainable Energy, Faculty of Applied Science and Engineering, University of Toronto, Toronto	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Fahy, Kieran F.	Thermofluids for Energy and Advanced Material Laboratory, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Institute for Sustainable Energy, Faculty of Applied Science and Engineering, University of Toronto, Toronto	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Kim, Pascal K.	Thermofluids for Energy and Advanced Material Laboratory, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Institute for Sustainable Energy, Faculty of Applied Science and Engineering, University of Toronto, Toronto	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
LaManna, Jacob M.	National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Baltic, Elias	National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Jacobson, David L.	National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Hussey, Daniel S.	National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Stiber, Svenja	Institute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center, Stuttgart	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Gago, Aldo S.	Institute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center, Stuttgart	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, Kaspar A.	Institute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center, Stuttgart	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT
Bazylak, Aimy	Thermofluids for Energy and Advanced Material Laboratory, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Institute for Sustainable Energy, Faculty of Applied Science and Engineering, University of Toronto, Toronto	NICHT SPEZIFIZIERT	NICHT SPEZIFIZIERT

Datum:

Oktober 2020

Erschienen in:

Energy Conversion and Management

Referierte Publikation:

Open Access:

Nein

Gold Open Access:

Nein

In SCOPUS:

In ISI Web of Science:

Band:

226

DOI:

10.1016/j.enconman.2020.113545

Seitenbereich:

Seite 113545

Verlag:

Elsevier

ISSN:

0196-8904

Status:

veröffentlicht

Stichwörter:

Polymer electrolyte membrane electrolyzer, Porous transport layer, Porosity gradient, neutron radiography, Vacuum plasma spraying, Pore network modeling

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:

16 Dez 2020 20:20

Letzte Änderung:

16 Dez 2020 20:20

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