Three-dimensional microstructure analysis of a polymer electrolyte membrane water electrolyzer anode

verfasst von

Friedemann Hegge, Riko Moroni, Patrick Trinke, Boris Bensmann, Richard Hanke-Rauschenbach, Simon Thiele, Severin Vierrath

Abstract

The anode catalyst layer of a PEM water electrolyzer is reconstructed using a combination of FIB-SEM tomography and ionomer modeling. The pore space is infiltrated with silicone, enabling good discrimination between pores and IrRuOx catalyst material, while the ionomer cannot be imaged. The reconstructed volume of 29 μm × 24 μm x 7 μm contains catalyst particles with a median size of 0.5 μm and has a porosity of 55%. By modeling different ionomer contents inside the pore space, the impact on microstructural and transport parameters is investigated. At an ionomer content of 40-50% of the pore volume, all transport parameters are in a reasonable range, confirming experimental results from literature. At an ionomer content of 48% the catalyst layer has a porosity of 29%, a median pore size of 0.94 μm, a permeability of the pore space of 1.8mD and a mean ionomer film thickness of 0.4μm. The tortuosities of the ionomer and the pore space are calculated to 3.5 and 6.7 at the corresponding phase fractions of 26% and 29% respectively. The electrochemically active surface area estimated from the tomography (1.0m²g⁻¹) is considerably lower than literature values, indicating a roughness below FIB-SEM resolution.

Organisationseinheit(en)

Institut für Elektrische Energiesysteme
Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Externe Organisation(en)

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Forschungszentrum Jülich
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU Erlangen-Nürnberg)
FIT - Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.

Typ

Artikel

Journal

Journal of Power Sources

Band

393

Seiten

62-66

Anzahl der Seiten

5

ISSN

0378-7753

Publikationsdatum

31.07.2018

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Peer-reviewed

Ja

ASJC Scopus Sachgebiete

Erneuerbare Energien, Nachhaltigkeit und Umwelt, Energieanlagenbau und Kraftwerkstechnik, Physikalische und Theoretische Chemie, Elektrotechnik und Elektronik

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.04.089 (Zugang: Geschlossen)