Mitigating Crack Formation When Using High Oxygen Permeability Ionomer in PEMFC Catalyst Layers

离聚物 透氧性 催化作用 质子交换膜燃料电池 材料科学 氧气 化学工程 复合材料 磁导率 化学 工程类 有机化学 聚合物 生物化学 共聚物
作者
Jiawei Liu,Shawn Litster
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
标识
DOI:10.1149/1945-7111/adb5c8
摘要

Abstract High oxygen permeability ionomers (HOPIs) are being developed as an alternative to conventional perfluorosulfonic (PFSA) ionomers for cathodes in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). HOPIs aim to reduce local oxygen transport resistance, improving performance and reducing degradation as the catalyst loses surface area. However, HOPIs' more rigid, 3D backbone leads to increased crack density in the cathode, potentially causing accelerated degradation. This study investigates crack formation in HOPI-based and PFSA-bound catalyst layers (CLs). We conducted a comprehensive parametric study to identify conditions and catalyst slurry components that minimize cracking. CLs were fabricated with various ionomer and catalyst types, under different relative humidity (RH) levels, solids weight percentages, solvent ratios, and ionomer-to-carbon ratios (I/C). Results show that HOPI-based CLs exhibit less cracking when fabricated under low RH conditions, with lower solids weight percentage, higher alcohol content, and lower I/C. Additionally, catalysts with low/medium surface area carbon supports show less cracking than those with high surface area carbon supports.
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