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Novel Atmospherically Plasma Sprayed Micro Porous Layer for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis Operating With Supporting Electrolyte

Wilke, Vincent und Morawietz, Tobias und Rivera, Marco und Sata, Noriko und Mues, Lukas und Hegelheimer, Manuel und Maljusch, Artjom und Borowski, Patrick und Schmid, Günter und Thum, Chen Yie und Klingenhof, Malte und Strasser, Peter und Karl, André und Basak, Shibabrata und Poc, Jean-Pierre und Eichel, Rüdiger-A. und Gago, Aldo Saul und Friedrich, Kaspar Andreas (2024) Novel Atmospherically Plasma Sprayed Micro Porous Layer for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis Operating With Supporting Electrolyte. Electrochemical Science Advances, 5 (3). Wiley. doi: 10.1002/elsa.202400036. ISSN 2698-5977.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
5MB

Offizielle URL: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/elsa.202400036

Kurzfassung

Anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) is one of the most promising candidates for green hydrogen production needed for the de-fossilization of the global economy. As AEMWE can operate at high efficiency without expensive Platinum Group Metal (PGM) catalysts or titanium cell components, required in state-of-the-art proton exchange membrane electrolysis (PEMWE), AEMWE has the potential to become a cheaper alternative in large-scale production of green hydrogen. In AEMWE, the porous transport layer and/or micro porous layer (PTL/MPL) has to balance several important tasks. It is responsible for managing transport of electrolyte and/or liquid water to the catalyst layers (CLs), transport of evolving gas bubbles away from the CLs and establishing thermal and electrical connection between the CLs and bipolar plates (BPPs). Furthermore, especially in case the CL is directly deposited onto the MPL, forming a catalyst-coated substrate (CCS), the MPL surface properties significantly impact CL stability. Thus, the MPL is one of the key performance-defining components in AEMWE. In this study, we employed the flexible and easily upscaled technique of atmospheric plasma spraying (APS) to deposit spherical nickel coated graphite directly on a low-cost mesh PTL. Followed by oxidative carbon removal, a nickel-based MPL with superior structural parameters compared to a state-of-art nickel felt MPL was produced. Due to a higher activity of the nickel APS-MPL itself, as well as improved catalyst utilization, a reduction in cell voltage of 63 mV at 2 A cm2 was achieved in an AEMWE operating with 1 M KOH electrolyte. This improvement was enabled by the high internal surface area and the unique pore structure of the APS-MPL with a broad pore size distribution as well as the finely structured surface providing a large contacting area to the CLs.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/219028/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Novel Atmospherically Plasma Sprayed Micro Porous Layer for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis Operating With Supporting Electrolyte
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wilke, VincentInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Morawietz, TobiasInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rivera, MarcoInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sata, NorikoInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mues, LukasInstitute of Engineering Thermodynamics, GermanAerospace Center (DLR), Oldenburg, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hegelheimer, ManuelHelmholtz-Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy (IET-2), Forschungszentrum Jülich GmbH(FZJ), Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Maljusch, ArtjomEvonik Operations GmbH, Paul-Baumann-Straße 1, Marl, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Borowski, PatrickEvonik Operations GmbH, Paul-Baumann-Straße 1, Marl, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmid, GünterSiemens Energy Global GmbH & Co. KG, Erlangen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thum, Chen YieDepartment of Chemistry, Chemical Engineering Division, Technical University Berlin (TUB), Berlin, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Klingenhof, MalteDepartment of Chemistry, Chemical Engineering Division, Technical University Berlin (TUB), Berlin, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Strasser, PeterDepartment of Chemistry, Chemical Engineering Division, Technical University Berlin (TUB), Berlin, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Karl, AndréInstitute of Energy Technologies, Fundamental Electrochemistry (IET-1), Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Basak, ShibabrataInstitute of Energy Technologies, Fundamental Electrochemistry (IET-1), Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Poc, Jean-PierreInstitute of Energy Technologies, Fundamental Electrochemistry (IET-1), Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eichel, Rüdiger-A.Institute of Energy Technologies, Fundamental Electrochemistry (IET-1), Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gago, Aldo SaulInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, Kaspar AndreasInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR), Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:19 Dezember 2024
Erschienen in:Electrochemical Science Advances
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:5
DOI:10.1002/elsa.202400036
Verlag:Wiley
Name der Reihe:De-Risking Electrolysis
ISSN:2698-5977
Status:veröffentlicht
Stichwörter:anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE), atmospheric plasma spraying (APS), micro porous layer (MPL)
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Wilke, Vincent
Hinterlegt am:19 Nov 2025 10:30
Letzte Änderung:19 Nov 2025 13:01

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