Modelling of Porous Electrodes in AEM Water Electrolyzers: The Effect of Reaction Mechanisms on the Current Distribution in Catalytic Layers

Abstract

Med et desperat behov for bedre og mer bærekraftig energilagringssystemer, er hydrogen foreslått som en erstatter for fossilt brensel. På tross av store bidrag fra akademia, er industrielle og kommersielle elektrolysører sjeldne. Det er derfor kritisk at ytelse, stabilitet, og material- og operasjonskonstander er optimalisert. Anion utvekslings membran vann elektrolysører viser fordelaktig kvaliteter som kombinerer fordelene av tidligere elektrolysører. Arbeidet utført i denne oppgaven forsøker å gi innsikt i effektene av kinetikk i det katalytiske sjiktet på en porøs elektrode anion utevkslings membran vann elektrolyse modell. Utviklingen av en porøs modell er fordelaktig fordi mesteparten av eksperimentelt arbeid utføres på roterende disk elektroder som nærmere likner plan elektrode systemer. Ved å introdusere en mikrokinetisk modell, kan vi veksle mellom systemene med hjelp av eksperimentell data. Et matematisk bidrag et gitt for å hjelpe videreutviklingen av den porøse mikrokinetiske modellen. Til nå kan modellen gi perspektiv inn i diskusjonen rundt dårlig eksperimentelt arbeid publisert på polarisasjonskurver. Videre, er fordelene av porøse elektroder lagt til rette. Med en fullverdig modell kan målinger på roterende disk elektroder demonstrere effektene av katalysatorer i et porøst elektrode system. Allikevel, estimeres varighet og aktivitet av katalysatorene feilaktig ved bruk av roterende disk elektroder. Tilsvarende burde eksperimenter bli utført på membran elektrode sammensetninger før systemene kommersialiseres grunnet nærmere likhet med ekte elektrolysører.

En mikrokinetisk modell var laget for å studere kinetikken av porøs elektrode anion utvekslings membran vann elektrolyse systemer. John Newmans numeriske BAND rutine var iverksatt i MATLAB for å løse et system av ikke-lineære differensial likninger. Modellen gjenskapte polarisasjonskurvene fra roterende disk elektrode eksperimenter med spesifikke katalysatorer. Den var deretter modifisert til å passe den porøse modellen. Butler-Volmer kinetikk var introdusert for å verifisere de numeriske prosedyrene som ble brukt i begge modellene. Tafel approksimasjonen var enkelt bekreftet grunnet identisk resultat med den analytiske løsningen. Strømtetthets profiler og polarisasjonskurver ble oppnådd for den mikrokinetiske porøse modellen med nikkel som katalysator. To polarisasjons helninger var observert for den mikrokinetiske porøse elektrode- og roterende disk elektrode analysen. Med en strømtetthet på 0.1 A/cm^2 krever det et påført potensial på 1.57 V for den mikrokinetiske porøse elektroden sammenliknet med 1.75 V for den roterende disk elektroden som videre fremhever fordelene ved den porøse modellen. Med den mikrokinetiske porøse elektrode modellen ble det observert at den andre helningen er relevant for kommersielle strømtettheter gitt nikkel som katalysator. Til tross for det, vil lavere deler av polarisasjonskurven være relevant med mer egnet og bedre katalysatorer. Som et resultat, burde eksperimenter gjennomføres slik at begge helningene og overgangen mellom dem blir gjengitt.

With the desperation for better and more sustainable storage systems, hydrogen is suggested to replace fossil fuels. Despite a large contribution from the academic field, industrial and commercial electrolyzers are still rare. It is, therefore, of the utmost importance that performance, long-term stability, and material and operation costs are optimized. Anion exchange membrane water electrolyzers exhibit favorable qualities that combine the advantages of previous electrolyzers. The work performed in this thesis aims to give insight into the effects of kinetics in the catalytic layers of a porous electrode anion exchange membrane water electrolysis model. Developing a porous model is beneficial because most experimental work is performed on rotating disc electrodes which more closely resemble planar electrode systems. Introducing a microkinetic model allows a transition between the two systems with the help of experimental data. A mathematical contribution is provided to aid in the future development of the porous microkinetic model. For now, it can provide perspective into the discussion of disappointing experimental work published on polarization curves. Moreover, the advantages of the porous electrodes are laid out. With a full-fledged model, measurements from rotating disc electrodes can demonstrate the effects of the catalysts in a porous electrode system. However, rotating disc electrodes falsely estimate the long-term stability and activity of the catalysts. Accordingly, experiments should be performed on membrane electrode assembly before commercializing the system due to the closer resemblance to real-life electrolyzers.

A microkinetic model was built to study the kinetics of porous electrode anion exchange membrane water electrolysis systems. John Newman's numerical BAND routine was implemented in MATLAB to solve the system of nonlinear differential equations. The model accurately recreated polarization curves from rotating disc electrode experiments with specific catalysts. It was then modified for porous electrodes. Butler-Volmer kinetics were introduced to verify the numerical procedures used for both models. The Tafel approximation was easily verified due to an analytical solution that provided the same results. Current density profiles and polarization curves were obtained for the microkinetic porous model with nickel as the catalyst. Two polarization slopes were observed for the microkinetic model for the RDE and porous analysis. With a current density of 0.1 A/cm^2, the porous model experienced a potential requirement of 1.57 V compared to 1.75 V for the RDE corroborating the benefits of the porous electrode model. With the microkinetic model, the second slope proved relevant for potentials at commercial current densities with a nickel catalyst. Lower parts of the polarization curve can become relevant with superior catalysts. As a result, experiments must be conducted to achieve both slopes and the transition between them.