Verlängerung der Lebensdauer von CO2-Elektrolyseuren durch Verbesserung der Mikrostruktur
Optimierung der Mikrostruktur von Elektroden mit GeoDict
Die Verlängerung der Lebensdauer von CO2-Elektrolyseuren durch Verbesserung der Mikrostruktur ist das Ziel des kürzlich veröffentlichten Artikels “Scalability and stability in CO2 reduction via tomography-guided system design” by C. P. O’Brien, D. McLaughlin, T. Böhm, Y. C. Xiao, J. P. Edwards, C. M. Gabardo, M. Bierling, J. Wicks, A. S. Rasouli, J. Abed, D. Young, C.-T. Dinh, E. H. Sargent, S. Thiele und D. Sinton.
Autoren und Anwendungsspezialisten
GeoDict Anwender
C. P. O’Brien, D. McLaughlin, T. Böhm, Y. C. Xiao, J. P. Edwards, C. M. Gabardo, M. Bierling, J. Wicks, A. S. Rasouli, J. Abed, D. Young, C.-T. Dinh, E. H. Sargent, S. Thiele, and D. Sinton
Unsere Anwendungsspezialisten
Herausforderungen bei der Kommerzialisierung von CO2-Elektrolyseuren
Zu den Herausforderungen bei modernen Gasdiffusionselektroden (GDEs) für die CO2-Elektrolyse gehören das Management von Salzausscheidungen und die geringe Oberflächenspannung der erzeugten Flüssigkeiten innerhalb der GDE.
Diese Flüssigkeiten beginnen die mikroporöse Schicht (MPL) zu benetzen und führen zum Verstopfen der Poren, was die Stabilität der handelsüblichen GDEs für die CO2-Elektrolyse einschränkt (siehe Abb. 1). Diese Probleme müssen für eine erfolgreiche kommerzielle Anwendung der CO2-Elektrolyse behoben werden.
Innovativer Prototyp mit optimierter Mikrostruktur
Forscher der University of Toronto und des renommierten Forschungszentrums Jülich, Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien, haben bedeutende Fortschritte bei der Verbesserung von GDEs für die CO2-Elektrolyse in C-Produkte durch Mikrostrukturoptimierung erzielt. In ihrer Studie analysierten sie digitale Zwillinge, die mit multimodalen Tomographietechniken - einschließlich Röntgen, FIB-SEM und EDX - von einer kommerziellen GDE und einem verbesserten GDE-Prototyp erstellt wurden. Die digitalen Zwillinge und die Simulationen dieser Strukturen wurden mit GeoDict erstellt, was zu einem verbesserten Prototyp-Design führte, das erfolgreich von dem 5 cm² großen Ausgangspunkt im Labormaßstab auf 800 cm² große Zellen skaliert wurde.
Das innovative Design des Prototyps umfasst ein Perkolationsnetzwerk aus PTFE innerhalb der MPL, um die Herausforderung der Salzausfällung und Benetzung zu bewältigen, die die nanogroßen Poren verstopfen können. Um die Feinheiten dieser Elektroden zu verstehen, verwendeten die Forscher das PoroDict-Modul von GeoDict und analysierten Korn- und Porengrößen, wodurch wertvolle Einblicke in ihre mikrostrukturellen Eigenschaften gewonnen wurden. Anschließend bestimmten sie die Transportparameter mithilfe der Module FlowDict, ConductoDict und DiffuDict. Während Diffusionsfluss und Permeabilität stabil blieben, gab es im Vergleich zu herkömmlichen Designs eine deutliche Verringerung der Elektronenleitung.
Angesichts dieser Ergebnisse wurde ein neuer, vergrößerter Prototyp mit einer dünneren MPL entwickelt, um die Elektronenleitfähigkeit zu verbessern. Diese vergrößerte GDL zeigte einen stabilen Betrieb über 240 Stunden in 10-Zellen-Stacks mit 800 cm² und 8.000 cm², was zur bisher größten veröffentlichten Demonstration der Reduktion von CO2 zu C2+-Produkten führte.
Diese Forschungsarbeit unterstreicht das Potenzial für die Weiterentwicklung kommerzieller Anwendungen in der CO2-Elektrolyse durch Simulationen und Optimierung der Mikrostruktur von GDEs mithilfe des digitalen Materialdesigns mit GeoDict.
Der Weg zur kommerziellen Nutzung und Statement des Autors
Wir freuen uns, berichten zu können, dass die Erkenntnisse aus dieser Mikrostrukturstudie zu einer Patentanmeldung geführt haben und von CERT Systems Inc., einem Unternehmen, das auf die Vermarktung der CO2-Elektrolysetechnologie spezialisiert ist, genutzt werden sollen.
Der Autor David McLaughlin erklärte:
GeoDict contributed significantly to the findings of our study. In particular, the AI-supported segmentation was useful in obtaining high fidelity digital twins. We characterized the properties of the digital twins with digital microstructure analysis and physical simulation.
[1] C. P. O’Brien, D. McLaughlin, T. Böhm, Y. C. Xiao, J. P. Edwards, C. M. Gabardo, M. Bierling, J. Wicks, A. S. Rasouli, J. Abed, D. Young, C.-T. Dinh, E. H. Sargent, S. Thiele, D. Sinton, Joule 2024, https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.07.004