Modeling of Transport Processes in Porous Transport Layers in Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzers
The porous transport layer (PTL) substantially contributes to the performance of polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolyzers. Investigation of the PTL properties is of critical importance to optimize the electrolyzer performance by tailoring the structural design of the PTL to improve mass transport efficiency, minimize overpotentials, and increase the overall durability and efficiency of the electrolyzer. In this thesis, a systematic research framework is proposed to comprehensively identify multiple critical physical properties associated with the primary functions of the PTL. To begin with, an experimental reconstruction method based on X-ray micro-computed tomography (XCT) imaging, and a stochastic reconstruction method for customized PTL structures are employed to generate PTLs with different features (e. g., porosity, pore size, distribution). These reconstruction methods enable the generation of realistic and reliable PTL microstructures, the characterization of their morphology and topology, as well as concise and extensive parametric studies. Subsequently, the transport properties of various PTLs, such as the gas diffusion, electrical conductivity, and thermal conductivity, are computed by pore-scale modeling (PSM). Furthermore, the distribution and transport efficiency of product oxygen within water-rich PTLs is thoroughly understood by utilizing the Lattice Boltzmann method (LBM). Moreover, differences in various properties between different types of PTLs (e. g., sintered titanium powder and titanium fiber) are elucidated. The performance of a PEM electrolyzer at specific operating conditions (under compression) is characterized by electrochemical modeling. Innovative designs for PTL structures (e. g., double-layer PTLs) have also been proposed and evaluated, demonstrating improved properties. These thorough computations and observations reveal the various tunable properties of the PTL by customizing the microstructure. This thesis provides insights and references for a better understanding of the properties of PTLs. The findings and conclusions obtained offer practical guidelines for the design and application of PTLs in commercial large-scale water electrolyzers.
Die poröse Transportschicht (engl. PTL) trägt wesentlich zur Leistung von Polymer-Elektrolyt-Membran (engl. PEM)-Wasserelektrolyseuren bei. Die Untersuchung der PTL-Eigenschaften ist von entscheidender Bedeutung, um die Leistung des Elektrolyseurs zu optimieren. Durch die Anpassung des strukturellen Designs der PTL können die Massentransporteffizienz verbessert, die Überspannungen minimiert und die Gesamtlebensdauer und Effizienz des Elektrolyseurs erhöht werden. In dieser Dissertation wird ein systematischer Forschungsrahmen vorgeschlagen, um umfassend mehrere kritische physikalische Eigenschaften zu identifizieren, die mit den primären Funktionen der PTL verbunden sind. Zunächst werden eine experimentelle Rekonstruktionsmethode auf Basis der Röntgen-Mikrocomputertomographie (engl. XCT)-Bildgebung und eine stochastische Rekonstruktionsmethode für PTL-Strukturen eingesetzt, um PTLs mit unterschiedlichen Merkmalen (z. B. Porosität, Porengröße, Verteilung) zu erzeugen. Diese Rekonstruktionsmethoden ermöglichen die Generierung realistischer und zuverlässiger PTL-Mikrostrukturen, die Charakterisierung ihrer Morphologie und Topologie sowie präzise und umfassende Parameterstudien. Anschließend werden die Transporteigenschaften verschiedener PTLs, wie der Gasdiffusionskoeffizient, die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit, durch Modellierung im Porenmaßstab (engl. PSM) berechnet. Darüber hinaus wird die Verteilung und Transporteffizienz von Sauerstoff innerhalb wasserreicher PTLs mittels der Lattice-Boltzmann-Methode (engl. LBM) umfassend verstanden. Zudem werden Unterschiede in verschiedenen Eigenschaften zwischen unterschiedlichen PTL-Typen (z. B. gesintertes Titanpulver und Titanfaser) aufgezeigt. Die Leistung eines PEM-Elektrolyseurs unter spezifischen Betriebsbedingungen (unter Kompression) wird durch elektrochemische Modellierung charakterisiert. Innovative Designs für PTL-Strukturen (z. B. Doppelschicht-PTLs) wurden ebenfalls vorgeschlagen und bewertet, wobei verbesserte Eigenschaften demonstriert wurden. Diese gründlichen Berechnungen und Beobachtungen zeigen die verschiedenen einstellbaren Eigenschaften der PTL durch Anpassung der Mikrostruktur. Diese Dissertation bietet aufschlussreiche Erkenntnisse und Referenzen für ein besseres Verständnis der Eigenschaften von PTLs. Die gewonnenen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen liefern praktische Leitlinien für das Design und die Anwendung von PTLs in kommerziellen großtechnischen Wasserelektrolyseuren.
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