Controlling the ionic polymer/gas interface property of a PEM fuel cell catalyst layer during membrane electrode assembly fabrication
Controlling the ionic polymer/gas interface property of a PEM fuel cell catalyst layer during membrane electrode assembly fabrication
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在膜电极组件制造过程中控制 PEM 燃料电池催化剂层的离子聚合物/气体界面特性
DOI：
10.1007/s10800-020-01453-w
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发表时间：
2020
影响因子：
2.9
通讯作者：
Van Nguyen, Trung
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Dowd, Regis P.;Li, Yuanchao;Van Nguyen, Trung
在高电流密度运行时，聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）阴极催化剂层中的产水会降低阴极中氧气的质量传递，从而对电池性能产生负面影响。本文研究了一种控制燃料电池催化剂层离子聚合物/气体界面性能的新型热处理工艺，并将其应用于膜电极组装（MEA）制造工艺中。通过刮掉催化剂层的连续层，XPS表征了催化剂层的外表面和子层表面的离聚体-气体界面，证实了在特定的热处理条件下，可以在催化剂层上实现疏水的离聚体界面。基于催化剂层研究的结果，改进了MEA的制造工艺，以确定热处理配置和条件，从而在阴极催化剂层内形成最佳的疏水离子-气体界面。最后，在不同工作温度下对传统MEA和新型MEA进行了燃料电池测试，结果表明，在25℃和70℃加湿空气条件下，经过处理的MEA燃料电池的性能比传统MEA高130%，在70℃干燥空气条件下，燃料电池的性能比传统MEA高45%。加速应力试验也证实了阴极催化剂层离聚体疏水处理的耐久性。具有疏水离聚体/气体界面的pemfc催化剂层
During high current density operation, water production in the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) cathode catalyst layer can negatively affect performance by lowering mass transport of oxygen into the cathode. In this paper, a novel heat treatment process for controlling the ionic polymer/gas interface property of the fuel cell catalyst layer is investigated and then incorporated into the membrane electrode assembly (MEA) fabrication process. XPS characterization of the catalyst layer's ionomer-gas interface at its outer surface and its sublayers’ surfaces obtained by scraping off successive layers of the catalyst layers confirms that a hydrophobic ionomer interface can be achieved across the catalyst layer using a specific heat treatment condition. Based on the results of the catalyst layer study, the MEA fabrication process is modified to identify heat treatment configuration and conditions that will create an optimal hydrophobic ionomer-gas interface inside the cathode catalyst layer. Finally, fuel cell tests conducted on the conventional and new MEAs under different operating temperatures show the performance of the fuel cells with the treated MEAs was > 130% higher than that with the conventional MEA at 25 °C and 70 °C with humidified air and > 45% higher at 70 °C with dry air. The durability of the hydrophobic treatment on the cathode catalyst layer ionomer is also confirmed by the accelerated stress test.Graphic abstractPEMFC Catalyst Layer with Hydrophobic Ionomer/Gas Interface
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