Predicting the Topological and Transport Properties in Porous Transport Layers for Water Electrolyzers

材料科学 多孔性 热导率 各向异性 纤维 复合材料 半径 热扩散率 电阻率和电导率 热的 电解质 热力学 化学 光学 物理 物理化学 量子力学 计算机科学 计算机安全 电极
作者
Jiang Liu,Felix Kerner,Nicolas Schlüter,Daniel Schröder
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (46): 54129-54142 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acsami.3c12345
摘要

The porous transport layer (PTL) in polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzers governs the overall efficiency. Its structural, thermal, and electronic properties determine how effortlessly the gases can be produced and can exit the PEM electrolyzer. In this study, we apply a stochastic reconstruction method for titanium felt-based PTLs to generate PTLs with different porosity, fiber radii, and anisotropy parameters. The morphology and topology of these PTLs are numerically characterized, and transport properties, such as gas diffusion coefficients and electrical and thermal conductivity, are computed via pore-scale modeling. Customized graded PTLs are proposed, exhibiting the optimal topology and bulk structure for the removal of gases, the conductance of electrons, and the transport of heat. The results indicate that the surface and transport properties of PTLs can be tailored by certain morphology parameters: PTLs with lower porosity and smaller fiber radii feature a more sufficient interfacial contact and superior electrical and thermal conductivity. Lowering the anisotropy parameters of PTLs results in a slight loss of interfacial contact but a substantial increase in the electrical and thermal conductivity in the through-plane direction. We outline that the design of PTLs should be differentiated depending on the operating conditions of electrolyzers. For nonstarvation conditions, PTLs should feature low porosity and small fiber radii, whereas for starvation conditions, PTLs should feature high porosity, low anisotropy parameters, and small fiber radii. Furthermore, graded PTLs with enhanced structural and transport properties can be developed by customizing the porosity, fiber radius, and fiber orientation.
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