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Overcoming the Conductance versus Crossover Trade-off in State-of-the-Art Proton Exchange Fuel-Cell Membranes by Incorporating Atomically Thin Chemical Vapor Deposition Graphene

材料科学 石墨烯 化学气相沉积 质子交换膜燃料电池 渡线 化学工程 薄膜 燃料电池 电导 纳米技术 化学 凝聚态物理 物理 工程类 生物化学 人工智能 计算机科学
作者
Nicole K. Moehring,Abdul Bashith Mansoor Basha,Pavan Chaturvedi,Thomas F. Knight,Xiaozong Fan,Peter N. Pintauro,Michael S. H. Boutilier,Kunal Karan,Piran R. Kidambi
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (3): 1165-1176 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05725
摘要

Permeance-selectivity trade-offs are inherent to polymeric membranes. In fuel cells, thinner proton exchange membranes (PEMs) could enable higher proton conductance and increased power density with lower area-specific resistance (ASR), smaller ohmic losses, and lower ionomer cost. However, reducing thickness is accompanied by an increase in undesired species crossover harming performance and long-term efficiency. Here, we show that incorporating atomically thin monolayer graphene synthesized via scalable chemical vapor deposition (CVD) and tunable defect density into PEMs (Nafion, ∼5-25 μm thick) can allow for reduced H2 crossover (∼34-78% of Nafion of a similar thickness) while maintaining adequate areal proton conductance for applications (>4 S cm-2). In contrast to most prior work using >50 μm symmetric Nafion sandwich structures, we elucidate the interplay of graphene defect density and Nafion proton transport resistance on the performance of Nafion|graphene composite membranes and find high-quality low-defect density CVD graphene (G) supported on Nafion 211 (∼25 μm); i.e., N211|G has a high areal proton conductance (∼6.1 S cm-2) and the lowest H2 crossover (∼0.7 mA cm-2). Fully functional centimeter-scale N211|G fuel-cell membranes demonstrate performance comparable to that of state-of-the-art Nafion N211 at room temperature as well as standard operating conditions (∼80 °C, ∼150-250 kPa-abs) with H2/air (power density ∼0.57-0.63 W cm-2) and H2/O2 feed (power density ∼1.4-1.62 W cm-2) and markedly reduced H2 crossover (∼53-57%).
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