Investigation of Bipolar Membrane Electrode Assemblies for Water Electrolysis

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-11-22
Issue Year
2021
Authors
Mayerhöfer, Britta
Editor
Abstract

Today, water electrolyzers operating in the temperature range below 100 °C primarily employ proton exchange membranes as the solid electrolyte (PEMWE). In contrast to classical liquid alkaline water electrolyzers, these systems allow for higher current densities and (differential) pressure operation. However, one major drawback is their exorbitant demand for costly materials, namely titanium-based bipolar plates and iridium- and platinum-based anode catalysts, due to the acidic environment and the high potentials of the oxygen evolution reaction. Within the past decade, the technological readiness of anion exchange materials concerning hydroxide conductivity and chemical stability has been significantly boosted. These developments allow combining the advantages of membrane-based water electrolyzers with stable, low-cost materials for catalysts and porous transport media typically used in alkaline environments. However, a limitation of anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) is the slow hydrogen evolution kinetics in alkaline- compared to acidic media. As a possible solution, a bipolar membrane water electrolyzer (BPMWE) was postulated, which could combine the advantages of the acidic and the alkaline world: The bipolar membrane comprises an AEM layer facing the anode and a PEM layer facing the cathode. Consequently, high pH conditions at the anode could allow the replacement of costly Ir and Ti components, while the cathode could still operate under ideal conditions at low pH. Theoretically, it is expected that the bipolar membrane can establish a steady-state pH gradient across the membrane electrode assembly (MEA) by catalyzing the dissociation of water into protons and hydroxide at the bipolar interface. This thesis presents the first-time development of bipolar MEAs for water electrolysis with a liquid water feed. The most important steps can be summarized as the following:

• Implementation and investigation of modular AEMWE and PEMWE building blocks for MEA operation in pure water based on similar catalysts and gas diffusion media with varying manufacturing approaches and ionomer materials

• Development of noble metal free anode electrodes based on synthesized CuCoOx catalyst for AEMWE and their evaluation under various feed conditions considering activity and dissolution for optimum system durability

• Implementation of the first liquid water fed BPMWE system and investigation of performance determining parameters such as varying AEM layer thickness and thin IrO2 layers as a water dissociation catalyst

• Electrolyzers with the bipolar interface located directly between an alkaline anode and the PEM were found to outperform a PEMWE reference system under similar operating conditions, which was investigated considering local pH, reaction kinetics, and resistances in the MEA caused by the manufacturing method

• Investigation of water management in BPMWEs by employing porous AEM layers and varying the hydrophobicity of the carbon-based cathode electrode

Abstract

Im Temperaturbereich unter 100 °C werden heute im industriellen Maßstab hauptsächlich Protonenaustauschmembranen als Festelektrolyte für die Wasserelektrolyse eingesetzt (PEMWE). Im Gegensatz zum klassischen flüssig-alkalischen Elektrolyseur erlauben diese Systeme weitaus höhere Stromdichten und Betrieb unter (Differenzial-)Druck. Ein großer Nachteil der PEMWE ist jedoch der exorbitante Bedarf an kostspieligen Materialien wie etwa Bipolarplatten auf Titanbasis sowie Katalysatoren aus Iridium und Platin, der in der im sauren Reaktionsmillieu und den hohen Potentialen der Sauerstoffentwicklungsreaktion begründet liegt. Innerhalb des letzten Jahrzehnts war eine drastische Weiterentwicklung von Anionenaustauschermaterialien in Bezug auf Hydroxid-Leitfähigkeit und chemische Stabilität zu verzeichnen. Diese Entwicklungen ermöglichen es, die Vorteile von membranbasierten Wasserelektrolyseuren mit den typischerweise im Alkalischen verwendeten stabilen und kostengünstigen Materialien für Katalysatoren und poröse Transportmedien zu kombinieren. Ein Nachteil der Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (AEMWE) ist jedoch die langsame Kinetik der Wasserstoffentwicklung in alkalischen- im Vergleich zu sauren Medien. Als möglicher Lösungsansatz wurde ein Bipolarmembranwasserelektrolyseur (BPMWE) postuliert, der die Vorteile der sauren und der alkalischen Welt vereinen könnte: Die bipolare Membran besteht aus einer AEM-Schicht, die der Anode zugewandt ist, und einer PEM-Schicht, die der Kathode zugewandt ist. Folglich könnte ein hoher pH an der Anode den Ersatz von teuren Ir- und Ti-Komponenten ermöglichen, während die Kathode weiterhin ideal bei niedrigem pH betrieben wird. Theoretisch wird erwartet, dass die bipolare Membran einen stationären pH-Gradienten über die Membranelektrodeneinheit (MEA) hinweg aufrechterhalten kann, indem sie an der bipolaren Grenzfläche die Dissoziation von Wasser in Protonen und Hydroxid katalysiert. Diese Arbeit beschreibt die erstmalige Entwicklung von bipolaren MEAs für die Wasserelektrolyse im Betrieb mit Flüssigwasser. Die wichtigsten Schritte dabei sind folgende:

• Implementierung modularer AEMWE- und PEMWE-Bausteine für den MEA-Betrieb in reinem Wasser auf Basis der gleichen Katalysatoren und Gasdiffusionsmedien mit variierenden Herstellungsmethoden und Ionomeren

• Entwicklung edelmetallfreier Anodenelektroden auf Basis eines selbst synthetisierten CuCoOx Katalysators für AEMWE und Untersuchung unterschiedlicher Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung von Aktivität und Auflösung für optimale Stabilität des Systems

• Implementierung der ersten wassergespeisten BPMWE Systems und Untersuchung leistungsbestimmender Parameter wie etwa der AEM-Schichtdicke oder Einbringung von IrO2 an der bipolaren Grenzfläche als Wasserdissoziationskatalysator

• Es wurde festgestellt, dass ein Elektrolyseur mit bipolarer Grenzfläche direkt zwischen der alkalischen Anode und der PEM unter analogen Betriebsbedingungen die Leistung einer PEMWE-Referenz übertreffen kann, was unter Berücksichtigung des lokalen pH Werts, der Reaktionskinetik und der unterschiedlichen Widerstände in der MEA untersucht wurde

• Untersuchung des Wassermanagements in BPMWE Systemen unter Verwendung poröser AEM Schichten und Variation der Hydrophobizität der Kathode

DOI
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