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Development of high-performance zero-gap carbon dioxide electrolysis cells using a hydrophilic porous membrane

电解 法拉第效率 电解质 材料科学 化学工程 多孔性 振膜(声学) 聚合物电解质膜电解 功率密度 化学 电极 复合材料 功率(物理) 电气工程 工程类 物理 物理化学 生物化学 量子力学 扬声器
作者
Yasuhiro Kiyota,Yusuke Kofuji,Yuki Kudo,Maki Yonetsu,Akihiko Ono,Satoshi Mikoshiba,Ryota Kitagawa
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-3250835/v1
摘要

Abstract A hydrophilic porous membrane is adopted as the diaphragm in zero-gap CO2 electrolysis cells in order to improve their efficiency and durability. The hydrophilic porous membrane is sparse and nonpolar, which are features opposite to those seen in the anion-exchange membranes commonly used as the diaphragm in CO2 electrolysis cells. These characteristics result in high ion permeability, which contributes to decreased power consumption. A cell with an active area of 16 cm2 achieves high Faradaic efficiency of 90% at a current density of 1000 mA/cm2 and a lower cell voltage compared with anion-exchange membranes. Optimization of the operating temperature achieves maximal energy efficiency of around 50% at 200 mA/cm2 under neutral electrolyte conditions. Excellent chemical stability of the porous membrane is demonstrated through experiments in a simulated practical environment and under long-term operation with application of a variable power source and introduction of impurity gases. The cells using the membrane was operated for an unprecedented 1000 h in a 400 mA/cm2 durability test. Furthermore, a CO2 electrolysis cell scaled up to a 10 × 100 cm2 cell stack is demonstrated as a step toward the development of an industrial-scale CO2 electrolysis cell. These results suggest that the hydrophilic porous membrane is a promising diaphragm option for the practical application of CO2 electrolyzers.
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