Limiting processes in anion-exchange membrane fuel cells
Tid: Fr 2022-12-16 kl 14.00
Plats: D2, Lindstedtsvägen 5, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/meeting/register/u5UrcOmqrTMoH9IQlT682yjBTuzuwVUylXBJ
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Henrik Grimler , Tillämpad elektrokemi, Applied Electrochemistry
Opponent: Professor Marc Secanell, University of Alberta
Handledare: Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Professor Rakel Wreland Lindström, Tillämpad elektrokemi; Professor Carina Lagergren, Tillämpad elektrokemi
QC 2022-11-21
Abstract
Bränsleceller gör det möjligt att konvertera kemisk energi lagrad i vätgas till elektrisk energi, med endast värme och vatten som biprodukter. I ett hållbart energisamhälle kan vätgas spela en viktig roll tack vare sin förmåga att agera både som energibärare och som en värdefull kemikalie i industrin. De sista hindren innan bränsleceller kan bli brett tillgängliga kommersiellt är deras livslängd och kostnad. Ett sätt att minimera kostnaden är att byta till en annan bränslecellskemi, genom att ersätta det protonledande membranet med ett anjonledande membran. Denna avhandling syftar till att undersöka begränsningar i anjonledande membranbränsleceller som hämmar utvecklingen och kommersialiseringen av dessa bränsleceller. Fokus i deolika delstudierna har varit på anoden, katoden, och vattentransporten i det anjonledande membranet.
Resultaten från undersökning av vätgaselektroden visade att reaktionen följer en Tafel-Volmer mekanism, i vilken Tafelsteget börjar begränsa hastigheten när överpotentialen på anoden ökar. Genom att kombinera anodmodellen med ett Butler-Volmer-uttryck för katodreaktionen så var det möjligt att modellera en H2:O2 bränslecell. Från en jämförelse av förlusterna från de olika processerna i bränslecellen kan vi dra slutsatsen att katoden fortfarande dominerar, men att hänsyn också måste tas till anodförlusterna om bränslecellens prestanda ska förutsägas. Låg jonledningsförmåga i elektroderna identifierades också som orsak för en del av förlusterna, vilket leder till ojämn strömfördelning i katalysatorskikten och begränsad utnyttjandegrad av katalysatormaterialet.
Undersökningar av vattentransportegenskaperna av anjonledande membran visade att inte bara elektroosmotisk diffusionsmotstånd och diffusion, utan också ett absorption-desorptions-steg mellan gasfasen och membranfasen bör inkluderas för att få en rimlig modell av vattentransporten. Att välja en lämplig kombination med avseende på hydrofobicitet av gasdiffusionsskikt visade sig vara lika avgörande som att dubbla membrantjockleken, vilket visar att inte bara permeabiliteten i membranet spelar roll för vattentransporten. Under de flesta realistiska förhållandena är risken för lokal uttorkning av elektroderna liten, tack vare att vatten snabbt kan diffundera från sidan med hög fuktighet till sidan med låg fuktighet.