Utilization of 3D printed carbon gas diffusion layers in polymer electrolyte membrane fuel cells

材料科学 电解质 质子交换膜燃料电池 气体扩散 碳纤维 聚合物 多孔性 微观结构 热解 膜电极组件 化学工程 电极 复合材料 燃料电池 化学 生物化学 物理化学 复合数 工程类
作者
Daniel Niblett,Zunmin Guo,Stuart M. Holmes,Vahid Niasar,Robert Prosser
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:47 (55): 23393-23410 被引量:33
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2022.05.134
摘要

3D printing and carbonisation is used to produce designed gas diffusion layer materials for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). Using a desktop UV 3D printer, designed porous microstructures are printed with micro and macro-scale features. Successful improvement of the pyrolysis process maintains the structural accuracy during carbonisation, reducing the material to electrically conductive carbon. The size of the material allows for testing in a lab scale fuel cell with 1.5 × 1.5 cm electrode size, which shows lower but interesting electrochemical performance (power density of 205 mW cm−2). Challenges associated with integration of a 3D printed structure into a membrane electrode assembly are highlighted, including the low open circuit voltage caused by large amounts of membrane deformation and subsequent hydrogen crossover. This study shows that it is possible to design and manufacture a gas diffusion layer for fuel cells. Numerical simulation on the new GDL structure shows that advective-diffusive transport of oxygen in the 3D printed design is superior to conventional carbon paper. This study serves as the first attempt to implement 3D printed microstructures as GDL into PEMFC.
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