Mass transfer limitation phenomena across the separator in a zero-gap alkaline water electrolysis stack: Anion-selective polymer electrolyte membrane vs. Zirfon™ Perl UTP 500 case study

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作者
Karel Denk,Roman Kodým,Jaromír Hnát,Martin Paidar,Thomas Turek,Karel Bouzek
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:479: 147354-147354 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.147354
摘要

Endeavours to decrease the KOH concentration in a circulating medium represent an important target of todaýs research. They are connected with current efforts to increase the flexibility of alkaline water electrolysis and improve its efficiency with regard to renewable energy sources. This study reports on the impact of reduced KOH solution concentration on mass and charge transport in a laboratory alkaline water electrolysis stack with two separator types. The separators used are a homogeneous anion-selective polymer-electrolyte membrane based on chloromethylated polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene copolymer functionalised by 1,4–diazabicyclo[2.2.2]octane and a commercial composite porous Zirfon™ Perl UTP 500 diaphragm. The stack was assembled in zero-gap mode and a bipolar connection of the electrodes was used. Load curves were recorded for different KOH concentrations and operational temperatures to assess the performance of the stack. Surprisingly, mass transfer limiting behaviour of the stack was observed at KOH concentrations below 2 wt% KOH for the Zirfon™ Perl UTP 500 separator. This was not the case for the stack utilising an anion-selective membrane as a separator. A 1-dimensional, single cell, stationary mathematical model was developed and implemented to clarify this phenomenon and to understand the details of the mass transport across the different types of separators in this process. This information is crucial for understanding obstacles faced once the concentration of KOH approaches zero, i.e., the final target of research in this field.
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