Bipolaarinen membraani veden polymeerimembraanielektrolyysissä

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kauranen, Pertti
dc.contributor.author Nieminen, Jussi
dc.date.accessioned 2018-02-23T14:27:15Z
dc.date.available 2018-02-23T14:27:15Z
dc.date.issued 2018-01-30
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/30070
dc.description.abstract Fossiilisten polttoaineiden ehtyessä energiantalouden on löydettävä vaihtoehtoisia menetelmiä tuottaa energiaa. Yhtenä vaihtoehtona pidetään vetyä sen suuren energiatiheyden ja esiintyvyytensä vuoksi. Vetyä voidaan tuottaa päästöttömästi elektrolysoimalla vettä uusiutuvien energianlähteiden, kuten aurinko-, vesi- tai tuulivoiman avulla ja käyttää näin tuotettua vetyä polttokennosovelluksessa esimerkiksi liikenteen ja elektroniikan energianlähteenä. Aluksi tässä diplomityössä esitellään nykyisiä vedyntuotannon vaihtoehtoja, jonka jälkeen käsitellään veden elektrolyysitekniikoita kiinteän membraanielektrolyytin avulla. Tutkimusosassa karakterisoitiin vedyn- ja hapenkehitysreaktioille aktiivisimpien platinaryhmän katalyyttien rakennetta ja sähkökemiallisia ominaisuuksia. Tämän jälkeen niitä käytettiin yleisesti tunnetuissa protonin- ja anioninvaihtomembraanielektrolyyseissä (PEM- ja AEM-elektrolyysi). Työn lopuksi tutkittiin bipolaarisella membraanilla (BPM) toimivaa elektrolyysiä, joka teoriassa yhdistää edellä mainittujen elektrolyysimenetelmien kineettisesti nopeimmat vedyn- ja hapenkehityksen osareaktiot. Käytännössä BPM:n kationinvaihtokerrokselle ruiskumaalattiin vedynkehitysreaktiolle aktiivista Pt/C katalyyttiä ja anioninvaihtokerrokselle vastaavasti hapenkehitykselle aktiivista iridiumkatalyyttiä, jolloin hapenkehitys tapahtuu alkaalisessa ympäristössä ja vedynkehitys happamassa ympäristössä. Tutkimuksissa havaittiin, että BPM-elektrolyysin suorituskyky ei yltänyt AEM-elektrolyysin tasolle. Tällöin alkaalisen ja kineettisesti hitaan vedynkehityksen korvaaminen happamalla vedynkehityksellä ei käytännössä parantanut elektrolyysin suorituskykyä. Bipolaarisen Fumatech FBM® membraanin resistanssin mitattiin olevan noin 2 - 10 kertaa suurempi kuin AEM-elektrolyysissä käytettyjen membraanien, jolloin menetelmien välinen ohminen ylipotentiaali on merkittävä korkeilla jännitteillä. Tämän diplomityön tarkoituksena oli BPM-elektrolyysitutkimuksen lisäksi rakentaa toimiva ja luotettava elektrolyysi-mittausasema Electrochemical Conversion and Storage –tutkimusryhmän käyttöön, sekä luoda turvalliset mittaus- ja toimintatavat vetyä tuottavan laitteiston käyttäjälle. fi
dc.description.abstract In the future, fossil fuels are becoming scarce. Therefore, economy must find and develop alternative methods for energy production. Hydrogen is excellent fuel because of its high energy density and abundance. In the scenario of hydrogen economy, hydrogen is produced by electrolyzing water with renewable electricity (i.e. solar-, wind-, water). Then, hydrogen could be used in fuel cells to power transportation or electronics. At first, this thesis introduces the most popular hydrogen production methods. Then, it moves on to the polymer electrolyte membrane electrolysis. The experimental part includes the chemical XRD- and RDE-characterization of the state-of-the-art platinum group metal catalysts for Hydrogen and Oxygen Evolution Reactions (HER, OER). Then, the catalysts were used in well-known PEM- and AEM-electrolysis applications (Proton Exchange Membrane, Anion Exchange Membrane). The PEM-electrolysis achieved the state-of-the-art performance (1 A cm-2, 1.65 V, 60 °C, ultrapure water) due to the high-quality materials delivered by ITM Power, UK. The AEM-electrolysis delivered 0.5 A cm-2 current density in 2.15 V (50 °C, 1 m-% K2CO3). This work also investigated an electrolysis that utilized a bipolar membrane (BPM). It has both anion- and cation ion-exchange layer on different sides of the membrane. Therefore, by orientating the cation-side to the cathode and anion-side to the anode, the electrolysis combines the AEM’s kinetically fast alkaline OER and PEM’s efficient acidic HER. However, the most durable sample delivered only 150 mA cm-2 current density at 2.5 V, 30 °C. After 24 h constant current (70 mA cm-2) stress-test, its performance was significantly decreased to 27 mA cm-2, 2.5 V, 30 °C. Marginally better performances (232 mA cm-2 at 2.5 V) were recorded, when higher 50 °C cell temperature and alkaline anode-solution (1 m-% K2CO3) were used instead of ultrapure water. Under these conditions, the MEA was not chemically stable for more than a few hours. Electrochemical Impedance Spectroscopy suggested, that the cell resistance of BPM-electrolysis is 2 - 10 times higher than AEM-electrolysis. This thesis succeeded to point out the practical obstacles concerning the theoretically ideal BPM-electrolysis and to establish a foundation for safe and productive water electrolysis-research in Aalto University. en
dc.format.extent 74 + 6
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso fi en
dc.title Bipolaarinen membraani veden polymeerimembraanielektrolyysissä fi
dc.title A bipolar membrane in solid polymer electrolyte membrane water electrolysis en
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword elektrolyysi fi
dc.subject.keyword PEM fi
dc.subject.keyword AEM fi
dc.subject.keyword bipolaarinen membraani fi
dc.subject.keyword vetytalous fi
dc.subject.keyword katalyysi fi
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201802231607
dc.programme.major Chemistry fi
dc.programme.mcode CHEM3023 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Kallio, Tanja
dc.programme Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering fi
dc.ethesisid Aalto 9819
dc.location P1 fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account