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Scaling CO2 Electrolyzer Cell Area from Bench to Pilot

材料科学 缩放比例 二氧化碳 电解 碳纤维 化学工程 废物管理 电极 有机化学 复合材料 物理化学 工程类 化学 几何学 数学 电解质 复合数
作者
Vivian E. Nelson,Colin P. O’Brien,Jonathan P. Edwards,Shijie Liu,Christine M. Gabardo,Edward H. Sargent,David Sinton
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (38): 50818-50825 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acsami.4c11103
摘要

To contribute meaningfully to carbon dioxide (CO2) emissions reduction, CO2 electrolyzer technology will need to scale immensely. Bench-scale electrolyzers are the norm, with active areas <5 cm2. However, cell areas on the order of 100s or 1000s of cm2 will be required for industrial deployment. Here, we study the effects of increasing cell area, scaling over 2 orders of magnitude from a 5 cm2 lab-scale cell to an 800 cm2 pilot plant-scale cell. A direct scaling of the bench-scale cell architecture to the larger area results in a ∼20% drop in ethylene (C2H4) selectivity and an increase in the parasitic hydrogen (H2) evolution reaction (HER). We instrument an 800 cm2 electrolyzer cell to serve as a diagnostic tool and determine that nonuniformities in electrode compression and flow-influenced local CO2 availability are the key drivers of performance loss upon scaling. Machining of an initial 800 cm2 cell results in a standard deviation in MEA compression that is 7-fold that of a similarly produced 5 cm2 cell (0.009 mm). Using these findings, we redesign an 800 cm2 cell for compression tolerance and increased CO2 transport and achieve an H2 FE in the revised 800 cm2 cell similar to that of the 5 cm2 case (16% at 200 mA cm-2). These results demonstrate that by ensuring uniform compression and fluid flow, the CO2 electrolyzer area can be scaled over 100-fold and retain C2H4 selectivity (within 10% of small-scale selectivity).
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