Operando Identification of Temperature-Dependent Pore-Scale Gas Saturations in PEM Water Electrolyzers
Notice bibliographique
Résumé
Polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolysis is a promising solution for the chemical storage of intermittent renewable energy in the form of clean hydrogen (1). For the widespread adoption of this technology, the efficiency of PEM electrolyzers must be improved through informed material design and tailored operating conditions to compete with incumbent carbon-emitting technologies (2). A main source of inefficiency is related to mass transport losses, where oxygen gas, a by-product of the anode reaction, accumulates in the anode porous transport layer (PTL) and hinders reactant liquid water delivery to reaction sites (3). Although extensive studies have explored this two-phase flow phenomenon, the consideration of operating temperature on gas accumulation in the PTL adds further complexity. A duality in temperature effects has been reported in the literature where increasing the operating temperature may encourage gas coverage which obstructs liquid water transport, but it may also enhance liquid water delivery due to favorable fluid property changes in viscosity and surface tension (4). Efforts have been made previously to reconcile these competing observations using 2D visualization methods (5), however a closer investigation using 3D visualization techniques will provide valuable pore-scale insights in the comprehensive understanding of the impact of operating temperature on gas transport in the PTL, and subsequently mass transport losses in the PEM electrolyzer. In this work, we employed operando X-ray computed tomography (CT) to visualize three-dimensional (3D) pore-scale gas saturations in the PTL at various industrially relevant operating conditions. Specifically, a custom in-house electrolyzer was imaged with synchrotron CT at five different temperatures (40°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C) and current densities ranging from 0.5 A/cm² to 4.0 A/cm² with 0.5 A/cm² incremental steps. Electrochemical impedance spectroscopy and Tafel measurements were also acquired to characterize the relationship between gas distributions and corresponding mass transport overpotentials. Considering X-ray transparency, a model PTL made of carbon fibers was used to achieve sufficient contrast to quantify water and gas in the obtained images. Using precise volume registration and subtraction methods, pore-scale gas distributions in the PTL were quantified to reveal changes in bubble accumulation and coverage area at different operating temperatures and over operation time. The novel insights from this work will aid in our understanding of the complex relationship between operating temperature and multiphase flow phenomena in the PTL, which is vital for tailoring operating conditions of PEM electrolyzers to curtail the costs of green hydrogen production.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».