ELY-TEMP – Polymer electrolyte water electrolysis at elevated temperature for reduced cost of hydrogen for energy applications

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501603

Key words (English)

PEM-electrolysis, PEEC, Polymer Electrolyte Electrolyzer Cells

Short description (German)

Szenarien zur Entkarboniserung des Energiesystems basieren zu einem wesentlichen Teil auf der Verfügbarkeit von elektrolytisch aus Wasser hergestelltem, kostengünstigem Wasserstoff unter der Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen. In dieser Arbeit soll das Potential der Erhöhung der Zelltemperatur auf 90-95°C und der Verwendung von optimierten Zellkomponenten auf die Kosten des produzierten Wasserstoffes untersucht und die Faktoren ermittelt werden, welche die Lebensdauer von Elektrolysezelle und -materialien limitieren.

Short description (English)

Decarbonization of the energy system across different sectors (Power-to-X) relies heavily on the availability of low-cost hydrogen produced from renewable power by water electrolysis. This pro-ject aims at studying the potential of an increased electrolyzer cell temperature of 90-95°C and use of advanced cell components to reduce the cost of the product hydrogen and identifying fac-tors limiting the lifetime of the materials and cell.

Publications / Results (English)

Garbe, S., Babic, U., Nilsson, E., Schmidt, T. J., & Gubler, L. (2019). Communication—Pt-doped thin membranes for gas crossover suppression in polymer electrolyte water electrolysis. Journal of the Electrochemical Society, 166(13), F873-F875. https://doi.org/10.1149/2.0111913jes 

Garbe, S., Futter, J., Schmidt, T. J., & Gubler, L. (2021). Insight into elevated temperature and thin membrane application for high efficiency in polymer electrolyte water electrolysis. Electrochimica Acta, 377, 138046 (12 pp.). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138046 

Garbe, S., Samulesson, E., Schmidt, T. J., & Gubler, L. (2021). Comparison of Pt-doped membranes for gas crossover suppression in polymer electrolyte water electrolysis. Journal of the Electrochemical Society, 168(10), 104502 (8 pp.). https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac2925 

Garbe, S., Futter, J., Agarwal, A., Tarik, M., Mularczyk, A. A., Schmidt, T. J., & Gubler, L. (2021). Understanding degradation effects of elevated temperature operating conditions in polymer electrolyte water electrolyzers. Journal of the Electrochemical Society, 168(4), 044515 (13 pp.). https://doi.org/10.1149/1945-7111/abf4ae 

 

Final report (German)

Szenarien zur Dekarboniserung des Energiesystems im Rahmen von Power-to-X basieren zu einem wesentlichen Teil auf der Verfügbarkeit von elektrolytisch aus Wasser hergestelltem, kostengünstigem Wasserstoff unter der Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen. Eine Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades in Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyseuren ist unabdingbar, um grünen Wasserstoff zu erzeugen, welcher bezüglich Kosten konkurrenzfähig ist mit blauem und grauem Wasserstoff für Anwendung in Industrie und Mobilität. Im Rahmen dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass mit der Verwendung von dünnen Membranen (50 μm) aus kommerziellem Ionomer (Nafion™) und einer erhöhten Betriebstemperatur von 120°C der Wirkungsgrad bei einer Stromdichte von 3 A/cm2 um 14% erhöht werden kann. Der erhöhte Gasdurchtritt kann durch Einbringen von Pt-Nanopartikeln in die Membran als Rekombinationskatalysator mit einer Beladung von 0.06 mg(Pt)/cm2 deutlich verringert werden. Erhöhte Temperaturen bringen jedoch eine verringerte Lebensdauer der Membran mit sich. Die erwartete Lebensdauer sinkt bei einer Erhöhung der Temperatur von heute 60°C auf 100°C um einen Faktor 10. Dies verlangt nach weiterer Forschung auf dem Gebiet der Membranmaterialien für die Wasserelektrolyse.

Final report (English)

Decarbonization of the energy system across different sectors (Power-to-X) relies heavily on the availability of low-cost hydrogen produced from renewable power by water electrolysis. The increase in conversion efficiency of H2 production in a polymer electrolyte water electrolyte (PEWE) is imperative to lower the cost of green hydrogen to be competitive to blue and grey hydrogen in industrial applications and mobility. In this project, we demonstrated that the efficiency of H2 production on the cell-level can be increased by 14% at a current density of 3 A/cm2 using a thin (50 μm) standard membrane material (Nafion™) and an elevated operating temperature of 120°C. The increased gas crossover can be successfully mitigated through the incorporation of a Pt gas recombine catalyst into the membrane at a loading of 0.06 mg(Pt)/cm2. Elevated temperature operation, however, comes at the cost of an increased rate of membrane degradation, leading to projected cell lifetime that is a tenfold lower at 100°C than at today’s standard operating temperature 60°C. This calls for the further development of membrane materials for water electrolysis applications.

Related documents

• Final Report [PDF] 591 kB

Final report (French)

Les scénarios de décarbonisation du système énergétique dans le cadre de Power-to-X reposent en grande partie sur la disponibilité d'hydrogène produit par électrolyse de l'eau à un prix avantageux, en utilisant de l'électricité issue de sources renouvelables. Une augmentation de l'efficacité de conversion dans les électrolyseurs d'eau à électrolyte polymère est indispensable pour produire de l'hydrogène vert qui soit compétitif en termes de coûts avec l'hydrogène bleu et gris utilisé dans l'industrie et la mobilité. Dans le cadre de ce projet, il a été démontré que l'utilisation de membranes minces (50 mm) en ionomère commercial (Nafion™) et une température de fonctionnement élevée de 120°C permettent d'augmenter le rendement de 14% pour une densité de courant de 3 A/cm2. L'augmentation du perméabilité des gaz peut être considérablement réduite en introduisant des nanoparticules de Pt dans la membrane comme catalyseur de recombinaison avec une charge de 0,06 mg(Pt)/cm2. Des températures plus élevées entraînent toutefois une réduction de la durée de vie de la membrane. La durée de vie attendue diminue d'un facteur 10 lorsque la température passe de 60°C aujourd'hui à 100°C. Cela nécessite de poursuivre les recherches dans le domaine des matériaux membranaires pour l'électrolyse de l'eau.