EWTN: Quantifying Mass Transport to Enable Water Electrolyzer Architectures with Low Flow-Rate Sensitivity

灵敏度(控制系统) 大规模运输 电解 体积流量 流量(数学) 环境科学 材料科学 工艺工程 化学 工程物理 机械 工程类 物理 电子工程 电极 物理化学 电解质
作者
Anirban Roy,Frida Roenning,Douglas Aaron,Feng‐Yuan Zhang,Matthew M. Mench
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:171 (3): 034508-034508
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ad2ef1
摘要

To develop cost-effective and high-performing polymer electrolyte water electrolyzers (PEWEs) for gigawatt-scale applications, researchers have focused on reducing precious metal catalyst loadings and optimizing porous transport layers. However, the performance of PEWEs is also affected by system architecture. Mass transport losses are dependent on localized architecture and material interactions. In-situ measurements, such as current density distribution maps have demonstrated advantages in understanding the intricate characteristics and influence of two-phase flow within PEWEs. This study proposes the parameter of effective water transport number (EWTN) as a quantitative tool to investigate such current density distribution (CDD) measurements for PEWEs. Results show that higher flow-rates have EWTN values of 0.95 and above, indicating no mass transport limitations; while lower flow-rates with large gradients CDD have EWTN values between 0.6-0.8, indicating mass transport limited conditions. The new analysis also identified a correlation between mass transport losses due to bubble accumulation, membrane hydration, and ohmic overpotentials. To address these limitations, an unitized pin-type LGDL/flow-field design was developed, which effectively prevents local gas phase accumulation, resulting in improved mass transport characteristics. The results of this work show reduced flow-rate sensitivity with the pin-type architecture and ∼13% increased performance at 0.24 ml / min / cm 2 .
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