Title: Influence of the ionomer content and dispersion solvent on the PEMWE performance and stability
Other Titles: Einfluss des Ionomer-Gehaltes und der Dispersions-Lösung auf die PEMWE Performence und Stabilität
Language: English
Authors: Karan, Benedikt 
Qualification level: Diploma
Advisor: Hofbauer, Hermann 
Issue Date: 2021
Number of Pages: 60
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Diese Studie untersucht den Einfluss der Tintenzusammensetzung auf die Leistung der anodischen Katalysatorschicht (CL) bei der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE). Die Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) werden auf Abziehfolien vorbereitet und anschließend im Heißpressverfahren übertragen. Das Hauptziel besteht darin, einen effektiven Langzeitbetrieb zu ermöglichen, wobei der Gehalt an Iridium reduziert und die verbleibende Menge optimal ausgenutzt werden soll. Die Formulierung der für die CL-Herstellung verwendeten Katalysator-Drucktinten werden auf dieses Ziel hin abgestimmt und ermöglichen dadurch die Kommerzialisierung von großformatigen PEMWEs mit erhöhterMassenaktivität. Die Hauptbestandteile der Drucktinten sind dabei das Katalysatormaterial, der Ionomer und das Dispersionslösungsmittel. Die beiden zuletzt genannten Komponenten werden systematisch variiert und untersucht, um die Elektrolyseleistung der MEA-Zelle zu verbessern.Die Experimente mittels RDE (rotierende Scheibenelektrode) werden für den Vergleich von supporteten Katalysatormaterialien verwendet, um die Polarisationsreaktivität zu bestimmen und miteinander zu vergleichen. Ursprünglich wurde ein existierendes Protokoll, das auf der Forschung an Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) basiert, für dieTintenherstellung der siebbedruckten CLs verwendet. Durch ein modifiziertes Protokoll werden geeignete Trocknungsbedingungen, optimierte Ionomergehalte sowie eine vorteilhafte Auswahl von Dispersionslösungsmitteln für PEMWE Drucktinten erreicht.Die Ergebnisse zeigen, dass die leistungsfähigste anodische CL einen Nafion®-Gehalt vonm10 Gew.-% in der getrockneten CL hat, während für die Tintenrezeptur ein Massenverhältnis von 50:50 des Cyclohexanol-1,2-Propylenglykol-Gemisches verwendet wird. Dies führt aufgrund einer homogeneren Dispersion des trägerlosen Iridium black (Ir black) Katalysatorpulvers zu einem geringeren Innenwiderstand. Schließlich erzielen diese Verbesserungen ein Potential von 1,867 V @ 2 A/cm2. Die getestete MEA weist dabei einen Ir-Gehalt von 1,88 mg/cm2 innerhalb der anodischen CL auf. Dies wiederum führt zur Produktion von etwa 0,197 Standardlitern pro Minute (SLPM) Wasserstoff für jede Zelle mit einer aktiven Zellfläche von 10 cm2.

This study examines the effect of the ink composition onto the performance of the anodic catalyst layer (CL) in a proton exchange membrane water electrolyser (PEMWE). The corresponding membrane electrode assemblies (MEAs) are prepared on decals and subsequently hot-press transferred. The main objective is to enable effective long-term operation, while the used iridium amount is reduced and the remaining amount optimally utilised. The formulation of the inks used for the CL manufacturing are adjusted to achieve this objective and will enable the commercialisation of large-scale PEMWEs with increased mass activity. The main components of the ink are the catalyst material, the ionomer and the dispersion solvent. Both liquid components are systematically varied to improve the electrolysis performance. Rotating disk electrode (RDE) experiments are used for the comparison of supported catalyst materials in order to determine and compare the polarisation reactivity. An existing protocol based on previous proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) research isoriginally used for the ink preparation of the screen-printed CLs. This protocol is modified to obtain optimised drying conditions, ideal ionomer contents as well as a beneficial selection of dispersion solvents for PEMWE inks.The best performing anodic CL has a Nafion® content of 10 wt% in the dried CL, while a 50:50 mass ratio of the cyclohexanol/propylene glycol mixture is used for the ink formulation. This results in lower internal resistance due to more homogeneous dispersion of the unsupported iridium black (Ir black) catalyst powder. Finally, these improvements lead to a potential of 1.867 V @ 2 A/cm2. The tested MEA has an Ir loading of 1.88 mg/cm2 within the anodic CL.This results in the production of approximately 0.197 standard litres per minute (SLPM) ofhydrogen for each cell with an active cell area of 10 cm2.
Keywords: Membran-Elektroden; Farbzusammensetzung; Katalysatorschicht
membran-electrode; Colour composition; catalyst layer
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.84625
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16806
DOI: 10.34726/hss.2021.84625
Library ID: AC16137176
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:


Page view(s)

137
checked on Jul 29, 2021

Download(s)

104
checked on Jul 29, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.