Simulation of Anion-Exchange Membrane Water Electrolyser with degradation of IrO2 as electrocatalyst for oxygen evolution

Abstract

Økende effekter av global oppvarming som skyldes voksende mengder CO2 og andre drivhusgasser forbundet med menneskelig industri øker motivasjonen for å finne erstatninger for fossile brensler. Hydrogen har lenge vært en attraktiv erstatning for fossile brensler, og katalytisk deling av vann gjennom vannelektrolyse er en teknologi som lar deg dele vann til hydrogen og oksygen uten produksjon av CO2. Likevel sliter de kommersielle vannelektrolysørene enten med dårlig effektivitet eller bruk av dyre, edle, og skjeldne metaller. Vannelektrolysører med anionutveklsingsmembran har som mål å kombinere fordelene med de allerede kommersielle vannelektrolysørene ved å kombinere basisk drift med anionspesifikke membraner. Selv om vannelektrolysører med anionutveklsingsmembraner er relativt nye, så har de potensiale til å produsere billigere hydrogen ved å bruke metaller som ikke er like sjeldne. En av problemene med denne teknologien er stabiliteten til katalysatorene under utvikling av oksygen ved anoden. Mikrokinetisk modellering har blitt brukt til å beskrive nedbryting av IrO2 under oksygen utvikling i sure og basiske forhold basert på eksperimentelle målinger [1, 2]. Den basiske modellen ble så implementert i en continuumsmodell utviklet av SINTEF[3] som simulerer en vannelektrolysør med anionisk utvekslingsmembran, og på den måten kvalitativt beskrive påvirkningen av nedbryting av katalysatorlaget hos anoden under polarisering. Simuleringene viste at nedbrytning av katalysatorlaget førte til dårligere drift sammenlignet med uten nedbryting, likevel var denne effekten mye mindre enn antatt. Simuleringene avslørte også at nedbrytingen ikke foregikk homogent over hele katalysatoren; nedbrytingshastigheten var størst nærmest anionutveklsingsmembranen. Likevel, implementeringen av den basiske mikrokinetiske modellen av nedbryting inn i continuumsmodellen forutså en for rask nedbryting av katalysatorlaget under normale driftsbetingelser, noe som kan tyde på avvik mellom continuumsmodellen og den mikrokinetiske modellen. De kvalitative effektene av nedbrytingen av IrO2 som katalysator for oksygen utvikling i en vannelektrolysør med anionutveklsingsmembran kunne likevel bli beskrevet ved bruk av mikrokinetisk modellering.

The growing effects of global warming attributed to the increase of CO2 and other greenhouse gases in the atmosphere originating from human industry, enhances the motivation to find suitable replacements. Hydrogen has long been an attractive energy replacement for fossil fuels, and catalytic splitting of water through water electrolysis provides a way of producing hydrogen without CO2 emissions. However, commercial water electrolysers either in lack efficiency or use platinum group metal materials as catalysts, which are quite scarce. Anion-exchange membrane water electrolysers (AEM-WEs), aim to combine the advantages of both the established low-temperature water electrolysers by combining alkaline operation with anionic-specific membranes. Still, the AEM-WE is relatively new, but has the potential to produce energy- and cost-efficient hydrogen by the use of more abundant catalyst materials. One of the problems with AEM-WE is catalyst stability. Microkinetic modelling has been applied to describe the degradation of IrO2 under oxygen evolution conditions in both acidic and alkaline environments based on experimental degradation measurements [1, 2]. The alkaline model was then implemented into a continuum model developed by SINTEF [3] simulating the operation of an AEM-WE, trying to qualitatively capture the effects of anode catalyst degradation during polarisation. The simulations showed that catalyst degradation led to an offset in polarisation curves indicating a worsening in performance, though a smaller offset than expected. Furthermore, degradation did not occur uniformly across the catalyst layer; the rate of degradation was indeed faster closest to the anion-exchange membrane. However, the alkaline microkinetic model implemented in the continuum model by SINTEF [3] predicted too rapid degradation under normal AEM-WE operating conditions, suggesting a discrepancy between the continuum model and the microkinetic model. Nevertheless, the qualitative effects of degradation of IrO2 as an oxygen evolution catalyst in an AEM-WE, could be described by microkinetic modelling.