Noble metal coated porous transport layers for polymer electrolyte membrane water electrolysis

Liu, Chang; Lehnert, Werner; Singheiser, Lorenz

doi:HT020996386

Noble metal coated porous transport layers for polymer electrolyte membrane water electrolysis = Edelmetallbeschichtete poröse Transportschichten für die Polymer-Elektrolyt-Membran Wasserelektrolyse

Liu, Chang

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chang Liu

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Lehnert, Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-06712
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/822403/files/822403.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Modellierung in der elektrochemischen Verfahrenstechnik (FZ Jülich) (420520)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PEM water electrolyzers (frei) ; coating (frei) ; hydrogen (frei) ; iridium (frei) ; platinum (frei) ; porous transport layer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Polymerelektrolytmembran (PEM)-Wasserelektrolyseure sind elektrochemische Energiewandler, welche Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Eine wesentliche Komponente dieser Elektrolysezellen sind Titan-basierte poröse Transportschichten (PTL). Diese weisen gute Bulkleitfähigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf. Auf der Anodenseite von PEM-Elektrolyseuren sind sie korrosiven Bedingungen wie zum Beispiel hohen Überspannung, niedrigem pH-Wert und Sauerstoffentwicklung durch die Reaktion in der Elektrode ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen ändert Titan (Ti0) seinen Oxidationszustand im Laufe der Zeit. Eine dünne und kontinuierlich wachsende Schicht aus passiviertem Titan (TiOx) wird gebildet. Infolgedessen wird der Kontaktwiderstand der Titan-PTLs negativ beeinflusst, was die Leistung und Haltbarkeit der Zelle verringert. In dieser Arbeit wird eine sehr einfache und skalierbare Methode verwendet, um die titanbasierte PTL vor Passivierung zu schützen, indem sehr dünne Schichten von Edelmetall wie Ir, Pt oder Au auf die PTLs gesputtert werden. Die 20 bis 50 nm dicken Edelmetallbeschichtungen auf den Titanfasern verringern den Kontaktwiderstand zwischen PTL und Katalysatorschicht deutlich und verbessern die Zellleistung. Die Einzelzellen, die mit Ir- oder Pt-beschichteten PTLs betrieben wurden, lieferten eine höhere Zellleistung als Zellen mit Au-beschichteten PTLs und lieferten nahezu die gleiche Leistung wie Zellen mit kohlenstoffbasierten PTLs, die unter diesen Betriebsbedingungen anfällig für Kohlenstoffkorrosion sind. Die hohen Kosten bei Verwendung von Edelmetallen als Schutzschichten können durch die Verringerung der Edelmetallbeladung reduziert werden. Die Iridiumbeladung der PTL wurde auf 0,025 mgIr·cm-2 reduziert und es zeigte sich eine identische Zellleistung wie bei Ir-beschichtete PTLs mit höherer Beladung. Die Gesamtbeladung von Iridium ist 40-mal geringer im Vergleich zu dem, was üblicherweise in einer Anodenkatalysatorschicht verwendet wird, und 20-mal geringer als von Au oder Pt, das typischerweise als Schutzschicht in derzeitigen und kommerziellen Elektrolyseuren verwendet wird. Die Passivierung der Titan-basierten PTL ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Lebensdauer eines PEM-Wasserelektrolyseurs einschränkt. Langzeitmessungen bei 2 V und 80 °C an den mit Ir-, Pt- und Au-beschichteten PTLs montierten Einzelzellen wurden durchgeführt, um die Haltbarkeit der Edelmetallbeschichtungen zu untersuchen. Verglichen mit Zellen ohne Beschichtungen zeigten die mit Iridium- oder Platinbeschichtungen montierten Zellen Degradationsraten nahe Null während 4000 Stunden Betriebszeit. Diese Ergebnisse zeigen, dass Iridium- und Platinbeschichtungen auf titanbasierten PTLs hocheffektiv sind, um das PTL vor Passivierung zu schützen und letztendlich die Leistung und Lebensdauer der Zelle zu erhöhen.

Polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolyzers are electrochemical energy conversion devices that split water into its constituent elements of hydrogen and oxygen. Titanium-based porous transport layers (PTL) are widely used due to their good bulk conductivity, high corrosion resistivity, and excellent mechanical strength. However, titanium-based PTLs situated at the anode side of PEM electrolyzers are subjected to harsh oxidizing conditions such as high anode overpotential, low pH and oxygen evolution. Under these conditions, titanium (Ti0) changes its oxidation state over time, which induces the formation of a thin but continuously growing layer of passivated titanium (TiOx). Consequently, the contact resistance of titanium PTLs is adversely affected, critically decreasing cell performance and durability. In this thesis, a very simple and scalable method is used to protect the titanium-based PTL from passivation by sputtering very thin layers of noble metal coatings such as Ir, Pt, or Au onto the PTLs. The 20 to 50 nm thick noble metal coatings on the titanium fibers significantly decreased interfacial contact resistance between the PTL and catalyst layer, and improved cell performance. The single cells assembled with Ir- or Pt-coated PTLs delivered higher cell performance than cells with Au-coated PTLs, and nearly identical cell performance as carbon paper, which is prone to carbon corrosion under these operating conditions. The high cost of using noble metal coatings can be decreased by reducing the loading of the noble metals. The loading of Ir as a protective layer on the PTL has an impact on the cell performance. The amount of iridium on one side of the PTL was reduced to 0.025 mgIr∙cm-2 and showed identical cell performance as Ir-coated PTLs with higher iridium loading, which effectively reduced the cost of the Ir. The total amount of iridium is 40 times less compared to what is usually used in an anode catalyst layer, and 20 times less than Au or Pt typically used as protective layers in contemporary and commercial electrolyzers. The critical passivation of the bare titanium-based PTL is also one significant factor that restricts the durability of a PEM water electrolyzer. In order to investigate the durability of noble metal coatings (Ir, Pt, Au) on the PTLs, a series of long-term measurements were performed under 2 V and 80 °C on the single cells assembled with Ir-coated, Pt-coated and Au-coated PTLs, respectively. Compared to the cell without the coatings, the cell assembled with iridium and platinum coatings showed degradation rates close to zero, while the identical cell performance was observed after 4000 hours with a cell voltage of 2 V. These results demonstrate that iridium and platinum coatings on titanium-based PTLs are highly effective at protecting the PTL against passivation, ultimately improving cell performance and durability.

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