Rocha, Fernando and Georgiadis, Christos and Van Droogenbroek, Kevin and Delmelle, Renaud and Pinon, Xavier and Pyka, Grzegorz and Kerckhofs, Greet and Egert, Franz and Razmjooei, Fatemeh and Ansar, Syed-Asif and Mitsushima, Shigenori and 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.
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Official URL: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-51704-z
Abstract
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.
Item URL in elib: | https://elib.dlr.de/208096/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Document Type: | Article | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Title: | Proton exchange membrane-like alkaline water electrolysis using flow-engineered three-dimensional electrodes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Authors: |
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Date: | 2024 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Journal or Publication Title: | Nature Communications | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Refereed publication: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gold Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In SCOPUS: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In ISI Web of Science: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volume: | 15 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DOI: | 10.1038/s41467-024-51704-z | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Publisher: | Nature Publishing Group | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISSN: | 2041-1723 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Status: | Published | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Keywords: | alkaline electrolysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Research field: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Program: | Energy System Design | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HGF - Program Themes: | Digitalization and System Technology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Research area: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Program: | E SY - Energy System Technology and Analysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DLR - Research theme (Project): | E - Energy System Technology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Location: | Stuttgart | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Institutes and Institutions: | Institute of Engineering Thermodynamics > Energy System Integration | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Deposited By: | Wiggenhauser, Hans Julian | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Deposited On: | 13 Feb 2025 13:51 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Last Modified: | 24 Feb 2025 11:22 |
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