Methods of Studying Electrocatalysts in Polymer Electrolyte Membrane Cells
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-10-09
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 131/2020
Abstract
The demand for flexible energy storage solutions increases as we gradually shift towards the utilization of renewable energy sources. Polymer electrolyte membrane (PEM) cell technologies provide easily scalable devices that can store energy through water splitting as hydrogen and, if necessary, restore the energy with high efficiency. The PEM technologies have not yet generalized due to the high cost and partially non-durable cell components. Thus, fundamental material research is needed for the development of these technologies. The development of electrocatalysts is particularly urgent, as none other than critical raw material categorized platinum group metals have been extensively used in PEM cells. This thesis focuses on the two currently most commercially viable PEM cell types: PEM water electrolyser and PEM fuel cell. Novel electrocatalyst material solutions are presented with the aim of reducing the amount of required critical raw materials and to increase the durability of these devices. The experimental material research of electrocatalysts takes place in two types of systems: half-cell and full-cell systems. Half-cell experiments are useful for catalyst material screening, but for commercialization, extensive full-cell tests are required. Since the protocols of full-cell experiments have high variation and since their theoretical background is not always fully understood, this thesis reviews the different experimental full-cell methods used for electrocatalysts. Emphasis is applied to durability experiments and the analysis of electrochemical impedance spectroscopy to understand loss mechanisms in these cells. In full-cell experiments, both the anode and cathode influence the performance of the full cell. In order to separate their impact, a reference electrode is required. In this thesis, a novel reference electrode design is presented for PEM water electrolyser and it is used to study the degradation of the state-of-the-art anode and cathode in a long-term experiment. A rapid platinum nanoparticle growth and corrosion of the carbon support were detected in the cathode catalyst. A novel catalyst utilizing carbon nanotubes as the support material is proposed and verified to have a significantly lower rate for these degradation mechanisms. In the PEM fuel cell, a novel mesoporous film catalyst is proposed to solve the fast growth of nanoparticles on the cathode. The novel catalyst indeed has a low degradation rate in comparison to the state-of-the-art catalyst. The mass activity of mesoporous platinum can be increased further by alloying with cobalt. The understanding of what catalyst experiences during full-cell operation is essential for catalyst development. Using the methods provided in this thesis, it is possible to enhance that understanding to improve the existing catalysts and help to design the next generations.Joustavien energian varastointimenetelmien tarve lisääntyy, kun siirrymme kohti uusiutuvaa energiantuotantoa. Polymeerielektrolyyttimembraanikenno (PEM) teknologiat mahdollistavat helposti skaalattavia laitteita, joissa sähköenergia voidaan varastoida vedyksi vettä hajottamalla. Tarvittaessa vety voidaan muuntaa takaisin sähköenergiaksi korkealla hyötysuhteella. PEM-teknologioiden käyttö ei ole vielä yleistynyt, koska niiden komponentit ovat kalliita ja osa komponenteista huonosti kestäviä. Siksi näiden teknologioiden kehityksessä tarvitaan materiaalien perustutkimusta. Erityisesti elektrokatalyyttien tutkimus on tärkeää, sillä vain kriittisiksi raaka-aineiksi luokiteltuja platinametalleja käytetään kaupallisten sovellusten katalyytteinä. Tämä työ keskittyy kahteen tällä hetkellä kaupallisesti kannattavimpaan PEM-kenno tyyppiin: veden PEM-elektrolyyseriin ja PEM-polttokennoon. Työssä esitellään uusia vaihtoehtoja elektrokatalyyteiksi, joilla voitaisiin vähentää kriittisten raaka-aineiden tarvetta näissä laiteissa ja parantaa niiden kestävyyttä. Elektrokatalyyttien kokeellista tutkimusta voidaan suorittaa kahdessa eri kennotyypissä: puolikennossa ja kokokennossa. Puolikennossa tehtävät kokeet ovat hyödyllisiä katalyyttimateriaalien seulonnassa, mutta katalyytin kaupallistaminen vaatii laajoja kokokennomittauksia. Koska kokokennomittauksissa käytetään hyvin erilaisia mittausohjelmia ja koska niiden teoreettista taustaa ei aina tunneta täysin, tämä väitöskirja käy läpi erilaisia elektrokatalyyttien mittaustekniikoita kokokennosysteemeissä. Työssä painotetaan kokokennojen kestävyyskokeita ja häviömekanismien tarkastelua sähkökemiallisen impedanssispektroskopian avulla. Kokokennomittauksissa sekä anodi että katodi vaikuttavat koko kennon suorituskykyyn. Jotta niiden vaikutukset voidaan erottaa, tarvitaan referenssielektrodi. Tässä työssä esitellään uusi PEM-elektrolyyserille tarkoitettu referenssielektrodi ja sitä hyödynnetään kaupallisten anodi- ja katodikatalyyttimateriaalien kestävyyden tutkimiseen. Katodikatalyytissä havaittiin platinananopartikkeleiden nopeaa kasvua ja hiilikantajan korroosiota. Sen korvaajaksi ehdotetaan hiilinanoputkia kantajana käyttävää katalyyttiä, jonka rakenteen havaittiin hajoavan selvästi hitaammin näillä mekanismeilla. PEM-polttokennon katodikatalyytin nanopartikkeleiden nopean kasvun ratkaisuksi ehdotetaan mesohuokoista kalvomaista platinakatalyyttiä. Sen katalyyttinen aktiivisuus heikkeneekin huomattavasti kaupallista katalyyttiä hitaammin, ja sen aktiivisuutta saatiin nostettua entisestään käyttämällä platinan ja koboltin seosta. Katalyyttitutkimuksen kannalta on olennaista ymmärtää, mitä katalyytille tapahtuu kennon ollessa päällä. Tässä työssä esitetyillä menetelmillä on mahdollista syventää sitä ymmärrystä, jotta voidaan kehittää nykyisiä katalyyttejä ja suunnitella seuraavan sukupolven katalyyttejä.Description
Supervising professor
Kallio, Tanja, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandThesis advisor
Kanninen, Petri, Dr., Aalto University, FinlandKeywords
polymer electrolyte membrane, fuel cell, water electrolyser, electrochemical impedance spectroscopy, catalyst degradation, polymeerielektrolyyttimembraani, polttokenno, elektrolyyseri, sähkökemiallinen impedanssispektroskopia, katalyyttien kestävyys
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Olli Sorsa, Jussi Nieminen, Pertti Kauranen and Tanja Kallio: Stable Reference Electrode in Polymer Electrolyte Membrane Electrolyser for Three- Electrode Measurements, Journal of the Electrochemical Society 166 (2019) F1326-F1336.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001171673DOI: 10.1149/2.0461916jes View at publisher
-
[Publication 2]: Olli Sorsa, Rachel Backhouse, Santeri Saxelin, Taneli Rajala, Hua Jiang, Pertti Kauranen and Tanja Kallio: Optimization and Aging of Pt Nanowires Supported on Single-Walled Carbon Nanotubes as a Cathode Catalyst in Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyser, International Journal of Hydrogen Energy 45 (2020) 19121-19132.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008214853DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.285 View at publisher
-
[Publication 3]: Olli Sorsa, Henrik Romar, Ulla Lassi and Tanja Kallio: Co-electrodeposited Mesoporous PtM (M=Co, Ni, Cu) as an Active Catalyst for Oxygen Reduction Reaction in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Electrochimica Acta 230 (2017) 49-57.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905062762DOI: 10.1016/j.electacta.2017.01.158 View at publisher