Ultrathin Microporous Transport Layers: Implications for Low Catalyst Loadings, Thin Membranes, and High Current Density Operation for Proton Exchange Membrane Electrolysis

微型多孔材料 材料科学 化学工程 质子交换膜燃料电池 催化作用 多孔性 电解水 电解 原材料 纳米技术 复合材料 电解质 有机化学 电极 生物化学 化学 物理化学 工程类
作者
Tobias Schuler,Carl Cesar Weber,Jacob A. Wrubel,Lorenz Gubler,Bryan S. Pivovar,Félix N. Büchi,Guido Bender
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (7) 被引量:58
标识
DOI:10.1002/aenm.202302786
摘要

Abstract Porous transport layers (PTL) and their surface properties have the potential to improve the performance of proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWE), which is imperative to reduce feedstock costs and lead to their widespread implementation. This work introduces a novel generation of titanium microporous layers (MPLs) with ultra‐low thicknesses of ≈20 µm which reduces raw material costs. They also feature advanced interfacial properties tailored to maximize catalyst utilization at low Ir‐loadings. The bulk morphology and surface properties of the hierarchically structured PTLs are assessed by X‐ray tomographic microscopy. The low surface roughness of the MPL allows the use of thinner membranes since it minimizes possible deformations in the membrane. Cells containing the MPLs outperformed those containing state‐of‐the‐art commercially available PTL materials by up to 100 mV at 7 A cm −2 in combination with low‐loaded catalyst‐coated membranes of 0.4 mg Ir cm −2 . Hydrogen crossover is also reduced, especially at low current densities, leading to a larger turndown ratio which can enable more cost‐effective operating strategies. Finally, these rationally designed MPLs also lead to high catalyst utilization by overcoming the naturally occurring high in‐plane resistance of low‐loaded catalyst layers.
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