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Poisoning effects of Na-ions on membrane electrode assemblies in proton exchange membrane water electrolysis and strategies for recovery

电解 阴极 电极 质子交换膜燃料电池 离子交换 离子 聚合物电解质膜电解 化学 扩散 电解水 化学工程 无机化学 工程类 电解质 有机化学 热力学 生物化学 物理化学 物理
作者
Aidong Tan,Bo Pang,J.Y. Song,Xutao Qiu,Chen Ju,Ping Liu,Jia Li,Jianguo Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Science [Elsevier BV]
卷期号:293: 120083-120083 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ces.2024.120083
摘要

Proton exchange membrane (PEM) water electrolysis represents a feasible technology for 'green' hydrogen production. However, the efficiency of the electrolyzers can be compromised by foreign ions in the feed water. In particular, sodium ions (Na+), which are commonly found in water sources, poses a serious threat for the operation of PEM water electrolyzers. This work examines the effects of low-concentration Na+ on the performance of membrane electrode assemblies (MEAs). Results reveal that Na+ can diminish the H+ concentration (cH+) and cation diffusion coefficient (D0) in the isomer and PEM by substituting H+ sites, but doesn't cause irreversible catalyst or structure damage. The reduced cH+ can lead to a negative shift in equilibrium potential, particularly at the cathode. Concurrently, a lowered D0 slows down the movement of cations, which serve as reactants at the cathode, resulting in impeded mass transport. Additionally, the work presents a methodology for recovering the performance of Na+ poisoned MEAs. Operating the electrolyzer at high current densities, viz. 6.0 A cm−2, could aid in the re-equilibration of Na+/H+ and the expulsion of Na+ from the MEAs. With Pt-coated Ti porous transport layers employed, the poisoned MEAs can be recovered to their original performance levels. This work presents an effective countermeasure to manage the Na+ poisoning in PEM electrolyzers and overcome this prohibitive barrier to the commercial viability of this technology.
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