Thin-film catalysts for proton exchange membrane water electrolyzers and unitized regenerative fuel cells

Abstract

Predkladná dizertačná práca spadá do oblasti vodíkového hospodárstva a elektrochemického ukladania elektrickej energie. Konkrétne, skúma možnosti využitia magnetronového naprašovania pre depozíciu účínných tenkovrstvových anódových katalyzátorov s nízkym obsahom vzácnych kovov pre elektrolyzéry vody a regeneratívne palivové články s polymérnou membránou (PEM- WE a PEM-URFC). Motivácia výskumu je daná nutnosťou znížiť cenu týchto elektrochemických zariadení pred ich masovým prienikom na trh. Realizovalo sa množstvo experimentov dávajúcich do súvisu reálne zmeranú účinnosť v elektrochemickej cele s rôznym umiestnením tenkovrstvového katalyzátoru v rámci geometrie membrána-elektródového usporiadania, s rôznym zložením vysoko poréznej podvrstvy, či s rôznou chemickou štruktúrou samotného katalyzátoru. Široká paleta experimentálnych metód, ako napríklad elektrochemická impedančná spektroskopia, skenovacia elektrónová mikroskopia, či fotoelektrónová spektroskopia nám umožnili popísať komplexné fyzikálno-chemické javy zodpovedné za rôzne účinnosti v cele. Následujúca systematická optimalizácia viedla k príprave unikátneho PEM-WE anódového tenkovrstvového irídiového katalyzátoru s hrúbkou len 50 nm, neseného na optimalizovanej TiC podvrstve, ktorý bol výkonnostne zhodný s bežnými katalyzátormi, využívajúcimi...

This dissertation thesis revolves around hydrogen economy and energy-storage electrochemical systems. More specifically, it investigates the possibility of using magnetron sputtering for deposition of efficient thin-film anode catalysts with low noble metal content for proton exchange membrane water electrolyzers (PEM-WEs) and unitized regenerative fuel cells (PEM-URFCs). The motivation for this research derives from the urgent need of minimizing the price of mentioned electrochemical devices should they enter mass production. Numerous experiments were carried out, correlating the actual in-cell performance with the varying position of thin-film catalyst within the membrane electrode assembly, with the composition of high-surface support sublayer and with the chemical structure of the catalyst itself. The wide arsenal of analytical methods ranging from electrochemical impedance spectroscopy through scanning electron microscopy to photoelectron spectroscopy allowed us to describe complex phenomena behind different obtained efficiencies. Consequent systematic optimizations led to the design of novel PEM-WE anode thin-film iridium catalyst with thickness of just 50 nm, supported on optimized TiC-based sublayer which performed similarly to standard counterparts despite using just a fraction of their noble metal...