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Pilot-Scale CO2 Electrolysis Enables a Semi-empirical Electrolyzer Model
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2023-05-11 , DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00620 Jonathan P. Edwards 1 , Théo Alerte 2, 3 , Colin P. O’Brien 1 , Christine M. Gabardo 1 , Shijie Liu 1 , Joshua Wicks 2 , Adriana Gaona 4 , Jehad Abed 2 , Yurou Celine Xiao 1 , Daniel Young 1 , Armin Sedighian Rasouli 2 , Amitava Sarkar 5, 6 , Shaffiq A. Jaffer 1, 3 , Heather L. MacLean 4 , Edward H. Sargent 2 , David Sinton 1
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2023-05-11 , DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00620 Jonathan P. Edwards 1 , Théo Alerte 2, 3 , Colin P. O’Brien 1 , Christine M. Gabardo 1 , Shijie Liu 1 , Joshua Wicks 2 , Adriana Gaona 4 , Jehad Abed 2 , Yurou Celine Xiao 1 , Daniel Young 1 , Armin Sedighian Rasouli 2 , Amitava Sarkar 5, 6 , Shaffiq A. Jaffer 1, 3 , Heather L. MacLean 4 , Edward H. Sargent 2 , David Sinton 1
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Carbon dioxide (CO2) electrolysis powered with renewable electricity can help close the carbon cycle by converting emissions into chemicals and fuels. Two key advancements are required to bridge the technological gaps for industrial implementation: pilot plant demonstrations with detailed performance data; and chemical engineering process models built and tested with lab- and pilot-scale data. Here, we develop a semi-empirical electrolyzer model in Aspen Custom Modeler which is trained on a 5 cm2 lab-scale CO2 electrolyzer. We then scale to a pilot-scale 800 cm2 single cell and 10 × 800 cm2 stack and use the results to validate the model; at 100 mA cm–2, the model can predict six of seven cell performance metrics within 16% absolute error and three of five stack metrics within 11% absolute error. With the combination of the electrolyzer model and the pilot-scale data, this work provides the prerequisites for further scaling of CO2 electrolysis.
中文翻译：
中试规模的 CO2 电解可实现半经验电解槽模型
以可再生电力为动力的二氧化碳 (CO 2 ) 电解可以通过将排放物转化为化学品和燃料来帮助完成碳循环。弥合工业实施的技术差距需要两项关键进步：具有详细性能数据的试验工厂示范；使用实验室和中试规模的数据构建和测试化学工程过程模型。在这里，我们在 Aspen Custom Modeler 中开发了一个半经验电解槽模型，该模型在 5 cm 2实验室规模的 CO 2电解槽上进行了训练。然后，我们扩展到一个中试规模的 800 cm 2单电池和 10 × 800 cm 2堆，并使用结果来验证模型；在 100 毫安厘米–2，该模型可以在 16% 的绝对误差范围内预测七个电池性能指标中的六个，在 11% 的绝对误差范围内预测五个堆栈指标中的三个。结合电解槽模型和中试规模数据，这项工作为进一步扩大 CO 2电解规模提供了先决条件。
更新日期：2023-05-11
中文翻译：
中试规模的 CO2 电解可实现半经验电解槽模型
以可再生电力为动力的二氧化碳 (CO 2 ) 电解可以通过将排放物转化为化学品和燃料来帮助完成碳循环。弥合工业实施的技术差距需要两项关键进步：具有详细性能数据的试验工厂示范；使用实验室和中试规模的数据构建和测试化学工程过程模型。在这里，我们在 Aspen Custom Modeler 中开发了一个半经验电解槽模型，该模型在 5 cm 2实验室规模的 CO 2电解槽上进行了训练。然后，我们扩展到一个中试规模的 800 cm 2单电池和 10 × 800 cm 2堆，并使用结果来验证模型；在 100 毫安厘米–2，该模型可以在 16% 的绝对误差范围内预测七个电池性能指标中的六个，在 11% 的绝对误差范围内预测五个堆栈指标中的三个。结合电解槽模型和中试规模数据，这项工作为进一步扩大 CO 2电解规模提供了先决条件。
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