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Proton exchange membrane-like alkaline water electrolysis using flow-engineered three-dimensional electrodes

Rocha, Fernando und Georgiadis, Christos und Van Droogenbroek, Kevin und Delmelle, Renaud und Pinon, Xavier und Pyka, Grzegorz und Kerckhofs, Greet und Egert, Franz und Razmjooei, Fatemeh und Ansar, Syed-Asif und Mitsushima, Shigenori und Proost, Joris (2024) Proton exchange membrane-like alkaline water electrolysis using flow-engineered three-dimensional electrodes. Nature Communications, 15 (1). Nature Publishing Group. doi: 10.1038/s41467-024-51704-z. ISSN 2041-1723.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
6MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-51704-z

Kurzfassung

For high rate water electrolysers, minimising Ohmic losses through efficient gas bubble evacuation away from the active electrode is as important as minimising activation losses by improving the electrode's electrocatalytic properties. In this work, by a combined experimental and computational fluid dynamics (CFD) approach, we identify the topological parameters of flow-engineered 3-D electrodes that direct their performance towards enhanced bubble evacuation. In particular, we show that integrating Ni-based foam electrodes into a laterally-graded bi-layer zero-gap cell configuration allows for alkaline water electrolysis to become Proton Exchange Membrane (PEM)-like, even when keeping a state-of-the-art Zirfon diaphragm. Detailed CFD simulations, explicitly taking into account the entire 3-D electrode and cell topology, show that under a forced uniform upstream electrolyte flow, such a graded structure induces a high lateral velocity component in the direction normal to and away from the diaphragm. This work is therefore an invitation to start considering PEM-like cell designs for alkaline water electrolysis as well, in particular the use of square or rectangular electrodes in flow-through type electrochemical cells.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/208096/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Proton exchange membrane-like alkaline water electrolysis using flow-engineered three-dimensional electrodes
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Rocha, FernandoUniversité catholique de LouvainNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Georgiadis, ChristosUniversité catholique de Louvainhttps://orcid.org/0000-0003-0251-8025NICHT SPEZIFIZIERT
Van Droogenbroek, KevinUniversité catholique de LouvainNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Delmelle, RenaudUniversité catholique de Louvainhttps://orcid.org/0000-0003-1455-4656NICHT SPEZIFIZIERT
Pinon, XavierUniversité catholique de LouvainNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pyka, GrzegorzUniversité catholique de Louvainhttps://orcid.org/0000-0001-7616-5811NICHT SPEZIFIZIERT
Kerckhofs, GreetUniversité catholique de Louvainhttps://orcid.org/0000-0002-1750-8324NICHT SPEZIFIZIERT
Egert, FranzFranz.Egert (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Razmjooei, FatemehFatemeh.Razmjooei (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ansar, Syed-AsifSyed-Asif.Ansar (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mitsushima, ShigenoriYokohama National UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Proost, JorisUniversité catholique de LouvainNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2024
Erschienen in:Nature Communications
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:15
DOI:10.1038/s41467-024-51704-z
Verlag:Nature Publishing Group
ISSN:2041-1723
Status:veröffentlicht
Stichwörter:alkaline electrolysis
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Digitalisierung und Systemtechnologie
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Energiesystemtechnologie
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Energiesystemintegration
Hinterlegt von: Wiggenhauser, Hans Julian
Hinterlegt am:13 Feb 2025 13:51
Letzte Änderung:24 Feb 2025 11:22

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