Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Wasserelektrolyse ist eine wichtige Technologie zur Erzeugung von Wasserstoff für Power-to-X-Prozesse. Da die Kosten für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff von den Stromkosten dominiert werden, ist eine Verbesserung der Umwandlungseffizienz erforderlich. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Einführung neuer Elektrolyseur-Komponenten mit verbesserter Stabilität, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Insbesondere werden bifunktionale Katalysator-Nanopartikel synthetisiert und in die Membran als Antioxidationsmittel und Gasrekombinationskatalysator eingebaut. Außerdem wird die H2-Elektrodenstruktur optimiert, um den Gasübergang zu verringern. Die neuen Materialien werden in Einzelzellen im Labormaßstab getestet und mit Benchmark-Komponenten verglichen. Stabilitätstests werden die Abschätzung der Lebensdauer der Zellen ermöglichen. Die Dissertation wird über einen Zeitraum von 4 Jahren durchgeführt.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Water electrolysis is an anticipated core technology to produce hydrogen for power-to-X processes. Since the cost of electrolytically produced hydrogen is dominated by the electricity cost, improve-ment of the conversion efficiency is necessary. The aim of the proposed project is to introduce new electrolyzer components with improved stability, especially at elevated temperature. Specifically, bifunctional catalyst nanoparticles will be synthesized and incorporated into the membrane as anti-oxidants and gas recombination catalyst. Furthermore, the H2-electrode structure will be optimized for reduced gas crossover. The new materials will be tested in laboratory-scale single cells and compared to benchmark components. Stability tests will allow the estimation of cell lifetime. The PhD thesis will be carried over a period of 4 years.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'électrolyse de l'eau est une technologie de base destinée à produire de l'hydrogène pour les processus power-to-X. Comme le coût de l'hydrogène produit par électrolyse est dominé par le coût de l'électricité, il est nécessaire d'améliorer l'efficacité de la conversion. L'objectif du projet proposé est d'introduire de nouveaux composants d'électrolyseur avec une stabilité améliorée, en particulier à température élevée. Plus précisément, des nanoparticules catalytiques bifonctionnelles seront synthétisées et incorporées dans la membrane comme antioxydants et catalyseur de recombinaison des gaz. En outre, la structure de l'électrode H2 sera optimisée pour réduire le croisement des gaz. Les nouveaux matériaux seront testés dans des cellules uniques à l'échelle du laboratoire et comparés à des composants de référence. Des tests de stabilité permettront d'estimer la durée de vie des cellules. La thèse de doctorat sera menée sur une période de 4 ans.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Composite Proton Exchange Membranes with Interlayer Structure Containing Functional Catalyst Particles for Water Electrolysis
Zheyu Zhang, Masis Sirim, Dominika Baster, Mario El Kazzi, Andrea Testino, and Lorenz Gubler; ACS Applied Materials & Interfaces 2025 17 (39), 54656-54667
https://doi.org/10.1021/acsami.5c08461
Pt/CexZr1–xO2 Bi-Functional Catalyst for Gas Recombination and Radical Scavenging in PEM Water Electrolysis Cells
Zheyu Zhang, Frank Pilger, Ivo Alxneit, Agnese Carino, Mohamed Tarik, Elisabeth Müller, Antonio Cervellino, Andreas Mühlmann, Christian Ludwig, Lorenz Gubler, and Andrea Testino; ACS Catalysis 2025 15 (7), 5577-5588
https://doi.org/10.1021/acscatal.4c07426
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Wasserelektrolyse wird als Schlüsseltechnologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff für Power-to-X-Prozesse angesehen. Die Kosten für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff werden durch den Investitionsaufwand für den Elektrolyseur und insbesondere durch die Stromkosten bestimmt. Daher ist eine Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrads und der Haltbarkeit der Zellkomponenten unumgänglich. Ziel des Projekts war die Erforschung neuer Elektrolyseurkomponenten mit verbesserter Leistung und Stabilität, insbesondere bei erhöhter Zelltemperatur, d.h. 90°C. Konkret wurden Strategien für den Einsatz von Platin Gasrekombinationskatalysatoren und Cer-Zirkonium-Oxid (CZO) als antioxidative Zusätze in Verbindung mit dem Einsatz dünner perfluorierter Membranen (Typ Nafion™) mit einer Dicke von ~50 mm entwickelt. Beide Zusätze sind notwendig, um einen sicheren Betrieb der Zelle über einen großen Stromdichtebereich zu gewährleisten und eine Membranlebensdauer von mehreren zehntausend Stunden zu ermöglichen. Da das Vorhandensein von Platin in der Membran die Bildung reaktiver Zwischenprodukte verstärkt, was die Degradation der Membran beschleunigt, wurde erstmals ein bifunktionaler Katalysator aus CZO-geträgertem Pt erfolgreich eingesetzt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Wirksamkeit des Rekombinationskatalysators und des Antioxidations maximiert werden kann, wenn sie in definierten Schichten in der Membran in der Nähe der Kathode bzw. Anode angeordnet sind. Mit einer optimierten Konfiguration beträgt die hochgerechnete Lebensdauer der Membran 30'000 Stunden bei 90°C, im Vergleich zu 4'000 Stunden bei einer undotierten Membran. Ein kritischer Aspekt, der weiter untersucht werden muss, ist die chemische Stabilität von Oxiden auf Cer-Basis, die für den langfristigen Betrieb eines Elektrolyseurs entscheidend sein kann. Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses der Zusammensetzung der Wasserstoff-Elektrode, was sich als bedeutend für die Minimierung des Wasserstoffdurchtritts auf die Anodenseite erwiesen hat. Zusammenfassend werden als Ergebnis dieses Projektes Ansätze für die Ausgestaltung von Membrane-Elektrodeneinheiten von Wasserelektrolyseuren vorgeschlagen, um Wasserstoffdurchtritt und Ionomeralterung in katalysatorbeschichteten Protonenaustauschmembranen zu verringern. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung von PEM-Wasserelektrolysezellen der nächsten Generation bei.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Water electrolysis is an anticipated core technology to produce green hydrogen for power-to-X processes. The levelized cost of electrolytically produced hydrogen is determined by the capital expenditure of the electrolyzer and, in particular, electricity cost. Therefore, improvement of the conversion efficiency and durability of cell components is necessary. The aim of the project was to identify and study new electrolyzer components with improved performance and stability, especially at elevated cell temperature, i.e. 90°C. Specifically, strategies for the use of platinum gas recombination and cerium-zirconium oxide (CZO) antioxidant additives in connection with the use of thin perfluorinated membranes (Nafion™ type) with a thickness of ~50 mm were developed. Both additives are essential to ensure safe operation of the cell over a large current density range and obtain membrane lifetimes of several tens of thousands of hours. Since the presence of platinum in the membrane increases the formation of reactive intermediates, which exacerbates membrane degradation, a bifunctional catalyst of Pt supported on CZO was successfully implemented for the first time. Furthermore, we showed that the effectiveness of the recombination catalyst and antioxidant can be maximized when located in defined layers in the membrane close to the cathode and anode, respectively. With the optimized configuration, the projected membrane lifetime is approximately 30’000 h at 90°C, compared to 4’000 h for an undoped membrane. A critical aspect that needs further investigation is the chemical stability of cerium-based oxides, which may be critical for long-term operation of an electrolyzer. In another aspect of the work, the influence of the compositional parameters of the hydrogen electrode was studied, which was shown to be important to minimize hydrogen crossover to the anode side. Overall, this project explores advanced design strategies to mitigate hydrogen crossover and ionomer degradation in catalyst coated proton exchange membranes (PEMs). The findings contribute to the development of next generation PEM water electrolysis cells.
Main findings («Take-Home Messages»)
- Next generation electrochemical water splitting devices: the reduction of the electrolyte membrane thickness for water electrolyzers requires a strategy to manage hydrogen crossover and improve membrane stability.
- Improved control of hydrogen crossover: Compositional optimization of the hydrogen electrode and targeted placement of a H2-O2 recombination catalyst minimizes hydrogen crossover and ensures safe operation over a wide current density range.
- Advanced membrane stabilization strategy: A cerium-zirconium-oxide nanoparticle containing catalyst layer for radical scavenging placed in the thin (~50 µm) Nafion™ membrane near the anode reduced degradation by a factor of 7.5.
- Contribution to Swiss energy policy: By enabling more efficient and durable electrolyzers for green hydrogen production, the results support cost reduction of power-to-X technologies and align with Switzerland’s energy strategy to expand renewable energy storage and sector coupling.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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L'électrolyse de l'eau est une technologie clé attendue pour produire de l'hydrogène vert destiné aux processus « power-to-X ». Le coût actualisé de l'hydrogène produit par électrolyse est déterminé par les dépenses d'investissement de l'électrolyseur et, en particulier, par le coût de l'électricité. Il est donc nécessaire d'améliorer le rendement de conversion et la durabilité des composants des cellules. L'objectif du projet était d'identifier et d'étudier de nouveaux composants d'électrolyseurs offrant des performances et une stabilité améliorées, en particulier à une température élevée de la cellule, c'est-à-dire 90°C. Plus précisément, des stratégies ont été élaborées pour l'utilisation d'additifs antioxydants à base de platine et d'oxyde de cérium-zirconium (CZO) en association avec des membranes perfluorées minces (de type Nafion™) d'une épaisseur d'environ 50 mm. Ces deux additifs sont essentiels pour garantir le fonctionnement sûr de la cellule sur une large plage de densité de courant et obtenir une durée de vie de la membrane de plusieurs dizaines de milliers d'heures. Étant donné que la présence de platine dans la membrane augmente la formation d'intermédiaires réactifs, ce qui aggrave la dégradation de la membrane, un catalyseur bifonctionnel de Pt supporté par du CZO a été mis en œuvre avec succès pour la première fois. De plus, nous avons montré que l'efficacité du catalyseur de recombinaison et de l'antioxydant peut être maximisée lorsqu'ils sont situés dans des couches définies de la membrane, respectivement près de la cathode et de l'anode. Avec cette configuration optimisée, la durée de vie prévue de la membrane est d'environ 30’000 heures à 90°C, contre 4’000 heures pour une membrane non dopée. Un aspect critique qui nécessite des recherches supplémentaires est la stabilité chimique des oxydes à base de cérium, qui peut être déterminante pour le fonctionnement à long terme d'un électrolyseur. Dans un autre aspect du travail, l'influence des paramètres de composition de l'électrode à hydrogène a été étudiée, qui s'est avérée importante pour minimiser le transfert d'hydrogène vers le côté anode. Dans l'ensemble, ce projet explore des stratégies de conception avancées pour atténuer le transfert d'hydrogène et la dégradation des ionomères dans les membranes échangeuses de protons (PEM) recouvertes de catalyseur. Les résultats contribuent au développement de la prochaine génération de cellules d'électrolyse de l'eau PEM.
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